西安光机所在超表面非线性光子学领域获得新进展

近日，中科院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室非线性光子技术及应用课题组在超表面非线性光子学领域取得重要进展，相关研究成果发表于国际著名期刊Materials Today Nano（IF=10.3），论文第一作者为2020级博士生石文娟。

全光信号处理、全光计算和量子芯片等领域的快速发展对非线性光子器件的集成度、调制速度、功耗等性能提出了新挑战，如何突破非线性光子器件功耗与尺寸的限制，在微纳尺度下提升非线性光子器件性能是光子集成领域的重要科学问题。介电常数近零（epsilon-near-zero ，ENZ ）材料在亚波长尺寸上表现出超快、超强非线性效应的特征，被广泛用于片上全光调制、全光开关、光子探测、量子纠缠源等领域的研究。损耗大是ENZ材料的最大缺点，这导致ENZ材料Q因子低、作用距离短，难以走向实用化发展。因此，不断探索新的物理机制降低ENZ材料损耗、获得高Q因子是实现高性能非线性光子器件的关键。

图1.超表面结构的电场分布（a-b）没有ENZ薄膜（d-f）有ENZ薄膜

图2.（a）线性反射谱与半径的关系（b）Q因子与半径的关系

图3.（a）非线性折射率系数（b）非线性反射调制

课题组通过将ENZ薄膜嵌入到金属与半导体介质的混合超表面结构中，首次在近红外波段提出了基于ENZ薄膜的准连续域束缚态（Quasi Bound states in the continuum，quasi-BIC）超表面结构，使得在大损耗的ENZ材料中通过消除辐射损耗实现高品质Q因子。相比于ENZ薄膜，该超表面结构非线性系数提高了3个数量级，可有效降低片上非线性光子器件的功耗。研究发现，基于金属镜像理论，该超表面结构高效实现了镜像磁偶极子与ENZ薄膜的共振，极大增强了ENZ薄膜中的局域场，显著提高了非线性光与物质的相互作用。同时，通过ENZ薄膜中Berreman模式与光子模式的干涉相消，成功实现了具有高品质Q因子的quasi-BIC模式。得益于quasi-BIC模式的强局域场、完美吸收特性以及ENZ薄膜中的热电子动力学过程，该结构对于实现高调制速度、大调制深度的全光调制器件具有明显优势。该研究成果为实现纳米尺度下的超强非线性和超快动力学提供了新思路，可拓展于基于二维材料的片上光子器件研究，有望在集成光子学领域发挥重要作用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2024.100474