《Photonics》：Continuous Domain Quasi-Bound State Enhances the Nonlinear Effects of Silicon Carbide
Ning Wang,
Dong Pan,
Lijing Huang,
Liping Liu,
Yang Liu,
Zijie Dai,
Xiaoxian Song,
Zhen Yue,
Jiakang Shi and
Jianquan Yao
+ 4 authors
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为解决SiC集成非线性光子器件中二阶非线性效应因相位匹配困难而效率低下的瓶颈，研究团队创新性地设计了一种基于准连续域束缚态（q-BIC）的3C-SiC周期性光栅结构。该结构通过激发超高Q值q-BIC模式，实现了光场的强局域化和非线性相互作用的显著增强。仿真结果表明，该结构能在1713.2 nm和1804.6 nm处实现高效率的和频产生（SFG）与倍频产生（SHG），转换效率达10-2量级，同时对关键结构参数变化展现出强鲁棒性。这项工作为开发紧凑、高效、可集成的SiC基非线性光子器件奠定了理论与技术基础。
非线性光学过程，如和频产生（SFG）与倍频产生（SHG），是现代光子技术的核心，广泛应用于激光频率转换、量子光源和集成光信号处理等领域。然而，其效率高度依赖于光与物质相互作用的强度以及在亚波长尺度上对光场的局域能力。碳化硅（SiC），特别是3C-SiC，作为一种第三代宽禁带半导体，因其宽透明窗口、极高的击穿场强和优异的导热性，在承受高功率激光和高效热管理方面展现出独特优势，被认为是极具潜力的非线性光子材料平台。尽管如此，SiC集成非线性光子器件的发展仍面临一个关键瓶颈：尽管SiC本身具有体二阶非线性，但在传统的SiC波导中，由于严格的相位匹配要求和有限的模式重叠，实现高效的二阶非线性过程仍颇具挑战。
为了突破这一瓶颈，研究者们将目光投向了光学超构表面和连续域束缚态（BIC）这一前沿领域。BIC理论上是存在于辐射连续谱中但完全局域、无辐射损耗的谐振态，具有无限大的品质因子（Q因子）。通过引入对称性破缺，可以将理想的BIC转化为准连续域束缚态（q-BIC），从而在保持自由空间辐射耦合的同时，实现极高的Q值和强烈的光场局域，极大增强光与物质的相互作用。这为解决SiC材料的非线性增强问题提供了一条极具吸引力的新路径。
正是在这样的背景下，由Ning Wang, Dong Pan, Lijing Huang, Liping Liu, Yang Liu, Zijie Dai, Xiaoxian Song, Zhen Yue, Jiakang Shi 和 Jianquan Yao等研究人员组成的研究团队，在《Photonics》期刊上发表了一项创新性研究。他们提出并验证了一种基于q-BIC的3C-SiC周期性光栅结构，旨在显著增强SiC薄膜的二阶光学非线性效应。该工作不仅为提高SiC非线性转换效率、解决相位匹配难题提供了新方案，也为开发紧凑、高效、可集成的SiC基非线性光子器件奠定了理论与技术基础。
为了开展此项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：
- 1.
结构设计与数值仿真：基于有限元法等电磁仿真工具，设计并优化了一种在SiC薄膜上引入四段式亚波长光栅的周期性结构。通过精细调节光栅的关键几何参数（如不对称因子α），实现对q-BIC模式谐振波长和Q因子的精准调控。
- 2.
对称性破缺与q-BIC模式激发：利用非厄米哈密顿量模型，从理论上分析双模耦合系统中的BIC和q-BIC。在实际结构中，通过设计特定的几何不对称性（对称性缺陷），打破结构对称性，将理想的BIC模式转化为具有超高Q值的q-BIC模式，从而在材料内部实现强光场局域。
- 3.
非线性光学效应模拟：在电磁仿真基础上，模拟计算了所设计结构在斜入射光激发下的二阶非线性光学响应，重点分析和频产生（SFG）与倍频产生（SHG）的转换效率，并评估其对于结构参数变化的鲁棒性。
研究结果
1. 对称性破缺的双准q-BIC模式
研究人员从理论框架出发，采用非厄米哈密顿量模型描述了双模耦合系统。通过在设计的三段式光栅中引入不对称因子α，打破了结构的对称性，从而将理想的BIC模式转化为两个可实际激发的高Q值q-BIC模式。仿真结果表明，通过优化结构参数，成功在SiC光栅中激发出两个q-BIC谐振模式，其谐振波长分别为1713.2 nm和1804.6 nm，并具有超高的Q因子。这两个模式为实现高效的二阶非线性频率转换提供了必需的强局域光场。
2. 结构设计与光学响应
研究团队提出并优化了一种基于3C-SiC薄膜的四段式亚波长光栅结构。该结构在斜入射条件下，能够有效激发上述双q-BIC模式。模拟结果显示，该结构在谐振波长附近表现出尖锐的反射谷，证实了高Q值谐振的存在。通过调整光栅的周期、宽度等关键尺寸，可以实现对谐振波长的灵活调谐，这为适配不同波长的泵浦光提供了可能。
3. 非线性光学性能增强
在斜入射条件下，对该结构的非线性性能进行了系统评估。对于和频产生（SFG），当使用两个波长分别接近上述两个q-BIC谐振波长的泵浦光时，结构能实现显著的SFG效率增强，转换效率达到10-2量级。同时，该SFG过程对关键结构参数（如光栅宽度和周期）的变化表现出很强的鲁棒性，这意味着该设计在制备容差方面具有优势。对于倍频产生（SHG），研究揭示了前向与后向SHG的共存现象，并且通过调整结构尺寸同样可以实现谐振波长的调谐，从而优化SHG效率。
结论与意义
本研究成功提出并验证了一种基于准连续域束缚态（q-BIC）的3C-SiC周期性光栅结构，用于显著增强二阶光学非线性效应，包括和频产生（SFG）与倍频产生（SHG）。通过精心的结构设计，该方案成功激发了具有超高Q值的双q-BIC模式，实现了对光场的强局域，从而大幅提升了非线性相互作用强度。
该工作的主要结论与重要意义体现在以下几个方面：
首先，它为解决SiC集成非线性光子器件中长期存在的效率瓶颈问题提供了一条创新且有效的技术路径。通过利用q-BIC原理，该方案绕过了传统波导中对相位匹配的苛刻依赖，直接在超薄尺度上实现高效的非线性频率转换。
其次，该结构展示出了优异的性能。仿真预测的SFG效率达到10-2量级，且对工艺波动具有强鲁棒性，这为实际器件的制备与应用提供了良好的可行性基础。同时，谐振波长可通过结构尺寸进行调谐，增加了设计的灵活性。
最后，得益于其纳米尺度的紧凑性，该结构具备超紧凑、可单片集成的显著优势。这不仅有助于推动SiC在高效片上非线性光源、中红外频率转换器、集成量子光源等领域的应用，也为其他宽带隙半导体材料（如氮化镓、金刚石等）的非线性光子器件设计提供了新的思路和理论参考。综上所述，此项研究为发展下一代高性能、可集成的非线性光子芯片奠定了坚实的技术与理论基础。
