基于Quasi-bound states in the continuum driven photoresponse in multiple quantum wells for machine vision的准束缚连续态驱动多量子阱光响应用于机器视觉

《Light-Science & Applications》：Quasi-bound states in the continuum driven photoresponse in multiple quantum wells for machine vision

　　

本工作首次展示了准束缚连续态（QBIC）的泄露模式可在正常入射条件下高效激发多量子阱（MQW）中的子带间跃迁。研究人员通过分析MQW垂直场耦合，展示了QBIC泄露模式的调控机制，揭示了增加不对称参数可增强波矢与光场的横向泄露呈非线性关系，从而驱动光响应随不对称度呈非线性变化，而与入射角和外偏压呈线性关系。随后，研究人员开发了一种光电线融合神经形态处理器，将QBIC-MQW集成至人工神经网络，应用于机器视觉任务。

超表面（Metasurface）实现了对振幅、相位、偏振和传播方向的亚波长像素化光场操控，成为调控光-物质相互作用变革性平台，解锁了先进光子处理器单片式设计。连续介质中的束缚态（BIC）及其通过对称性破缺微扰产生的高Q值泄露共振对应态准束缚连续态（QBIC），伴随亚波长体积内前所未有的光场限域能力，已在纳米激光、生物分子传感、光学成像及超构器件中获得广泛关注。这些工作主要聚焦于周期性超构原子阵列中电磁干涉产生的共振模式，而由工程化辐射通道产生的对称破缺泄露模式的探索与应用仍相对有限。根据Bloch定理，电磁模式可由平行于xy平面的波矢k_∥=(k_x,k_y)表征。对于对称保护BIC，辐射方向完全垂直于xy平面，即k_∥≈0；一旦对称性破缺，结构微扰将BIC转变为QBIC，其中面内波矢分量k_x或k_y至少其一不再为零，产生定制QBIC超构原子的泄露模式，并通过动量守恒实现从泄露模式到自由空间辐射场的能量传递。波矢分量(k_x,k_y)作为k空间光场操控的基本自由度，为超紧凑型光学拓扑优化光束偏转、无像差计算成像的非局域超表面光学、单分子生物传感的法诺增强近场光谱学，以及新型光电设计的亚波长光电介质操控建立了设计范式。

多量子阱（Multiple Quantum Well, MQW）结构由GaAs/AlGaAs等半导体交替层构成，通过带隙工程实现载流子精确量子限域，形成控制光电跃迁的离散能量子带，已在发光二极管（LED）、半导体激光器、光调制器和红外探测器中率先部署。然而，MQW光吸收本质上受限于子带间选择定则：在入射光子与载流子波矢严格动量匹配条件下，光响应正比于有源区中波矢分量(k_x,k_y)产生的法向电场|E_z|²。由于QBIC中存在的泄露模式提供了通过改变超构原子非对称性实现(k_x,k_y)可控调制的途径，将BIC集成到MQW结构可改善传统MQW光吸收，为片上光谱调控和极化子辅助光响应提供路径。

研究人员设计了两个矩形金属臂构成的谐振器作为超表面基本单元，通过磁控溅射和电子束光刻（EBL）制备，以不对称参数δ=|L1-L2|/L1控制结构偏离平衡态程度，实现BIC（δ=0）到QBIC（δ≠0）模式转变。结合Lumerical FDTD Solutions电磁仿真和实验验证，系统研究了该BIC-MQW体系的光响应特性。波矢分析表明，BIC模式下k_x、k_y近似为零，能量完全局域；而QBIC模式下横向波矢分量显著非零，伴随电场E_z增强和反向表面电流形成的等效电偶极子辐射。将超表面与50周期GaAs/Al_0.28Ga_0.72As MQW集成后，仿真揭示了有源区原点处|k_x|、|k_y|及|E_z|²随δ的非线性增强和随入射角θ的线性衰减，实验光电流随δ呈非线性（~δ²）增长、随θ线性减小、随偏压线性增大，在δ=0.44时较无BIC结构增强3.6倍。

基于上述多功能光响应特性，研究人员构建了3×3 QBIC-MQW阵列器件，开发了光电线融合神经形态处理器。利用δ调控的非线性光响应实现图像对比度增强预处理，处理后图像输入多层感知器（MLP）神经网络，30轮训练后字母图像识别准确率达99%以上；利用θ或偏压调控的线性光响应实现传感器内乘积累加（MAC）运算硬件演示，通过4×4像素BIC-MQW阵列的基尔霍夫电流求和实现二值模式分类准确率100%；还通过入射角调制光响应度实现了卷积神经网络（CNN）边缘检测功能。

本研究为基于BIC-MQW平台的多功能、高性能片上光电集成与传感器内计算提供了新的设计范式。该器件平台具有三项优势：首次实现QBIC正常入射MQW结构操作；具有可直接应用于机器视觉任务的可调谐非线性光响应；在单一器件中同时实现线性和非线性多功能操作。未来可进一步优化MQW与QBIC耦合效率，向大规模阵列（超过1000像素）和脉冲编码光学计算拓展，为实时目标跟踪和光学加密通信等应用奠定基础。