DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65860-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41331153
تاريخ النشر: 2025-12-02
المؤلف: Haoyu Qin وآخرون
الموضوع الرئيسي: البلورات الضوئية والتطبيقات
الطرق
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج تجريبية تؤكد وجود نطاقات مسطحة شبه محصورة في هيكل بلورة فوتونية (PhC). تم تصنيع عينات PhC مع طبقة سيليكون بسمك 241 نانومتر على ركيزة سيليكا، باستخدام تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة الإلكترونية وحفر الأيونات التفاعلية لإنشاء لوح PhC غير منظم متناظر مرآة يقيس حوالي 500 × 500 ميكرومتر². تم قياس طيف النقل المعتمد على الزاوية، مما كشف أن النطاق المسطح عالي الجودة يختفي عبر جميع زوايا السقوط، مما يثبت بشكل غير مباشر وجود نطاقات مسطحة شبه محصورة في الهيكل. تؤكد المحاكاة العددية النتائج التجريبية، مما يظهر توافقًا قويًا في تشتت نطاقات بلوتش.
لتقييم عوامل Q لنطاقات شبه BFICs، استخدم المؤلفون إعدادًا بصريًا لمراقبة خطوط التردد المتساوية، مما يكشف عن مجموعات متميزة من الخطوط التي تتوافق مع النطاقات المسطحة والأوضاع المتشتتة. أظهرت النتائج التجريبية توافقًا ممتازًا مع التوقعات النظرية، مما يسمح باستخراج عوامل Q الرنانة من قياسات عرض نطاق طيف التشتت. ومن الجدير بالذكر أن عامل Q ظل مستقرًا عند حوالي 8000 عبر نطاق زاوي واسع، مما يدل على تحسين كبير مقارنة بالحالات المحصورة التقليدية (BICs)، التي تظهر انخفاضًا سريعًا في عامل Q مع انحرافات طفيفة عن السقوط العمودي. وهذا يوضح الحساسية الزاوية الاستثنائية لخصائص عالية الجودة في هيكل شبه BFIC المقترح.
النتائج
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون خصائص النطاقات المسطحة شبه المحصورة في لوح بلورة سيليكون فوتونية (PhC) أحادية البعد، مع التركيز على تأثيرات الاضطراب المتناظر مرآة على هيكل النطاقات وعوامل الجودة (عوامل Q) للأوضاع الشبيهة بـ TE. تكشف الدراسة عن وجود حالة محصورة معزولة في الاستمرارية (BIC) بعامل Q لانهائي في مركز فضاء الزخم، بينما تظهر أوضاع بلوتش الأخرى داخل مخروط الضوء انخفاضًا سريعًا في عامل Q مع انحراف متجه الموجة عن BIC. يسمح إدخال الاضطراب المتناظر مرآة في خلية فائقة تتكون من ثلاثة عشر وحدة أساسية بتوليد هياكل متنوعة، والتي يتم تحليلها لتقييم تأثير قوة الاضطراب على عرض النطاق وعامل Q المتوسط للنطاق المستهدف الشبيه بـ TE. ومن الجدير بالذكر أن قوة الاضطراب المثلى وجدت حوالي δ/W = 0.15، حيث تتواجد عوامل Q عالية وعرض نطاق ضيق، بينما يؤدي الاضطراب المفرط إلى انخفاضات كبيرة في عوامل Q بسبب زيادة خسائر الإشعاع.
يوضح المؤلفون أيضًا خصائص النطاقات المسطحة عالية الجودة، خاصة عند أطوال موجية تبلغ 1520 نانومتر و1935 نانومتر. يظهر النطاق المسطح عالي الجودة عند 1520 نانومتر عوامل Q استثنائية، تصل إلى 200,000، تعزى إلى التوطين القوي للأوضاع الذاتية ووجود نقاط صفرية متعددة في توزيع معامل فورييه، مما يقلل من خسائر الإشعاع. في المقابل، يظهر النطاق المسطح ذو عامل Q المنخفض عند 1935 نانومتر شحنة طوبولوجية واحدة، مما يؤدي إلى خسائر إشعاعية أعلى. تؤكد الدراسة على الدور الحاسم للتناظر المرآوي في الحفاظ على توطين الأوضاع الذاتية وظهور شبه BICs، مما يشير إلى أنه يمكن تعديل الملف المكاني لحقول النطاق المسطح من خلال قوة الاضطراب وأبعاد الخلية الفائقة لتحسين أداء النطاقات المسطحة شبه المحصورة في التطبيقات الفوتونية.
المناقشة
في هذه الدراسة، نقدم نهجًا جديدًا لاستغلال الاضطراب في ألواح البلورات الفوتونية (PhC) لتوليد نطاقات مسطحة عالية الجودة، تُعرف باسم حالات شبه محصورة في الاستمرارية (quasi-BFICs). على عكس الآراء التقليدية التي ترى أن الاضطراب يؤثر سلبًا على الحالات المحصورة الفوتونية، تشير نتائجنا إلى أن الاضطراب الهيكلي يمكن أن يعزز التفاعلات بين الضوء والمادة. نحدد قوة اضطراب مثلى تعظم من احتمال توليد شبه BFICs عشوائية، التي تنشأ من طي النطاق، توطين الأوضاع، وظهور شحنات طوبولوجية متعددة بسبب الاضطراب. تكشف التحقق التجريبي من خلال طيف النقل المعتمد على الزاوية وتصوير خطوط التردد المتساوية عن عوامل جودة موحدة تبلغ حوالي 8000 عبر نطاق زاوي واسع (حتى 47.4 درجة)، مما يتحدى النماذج الحالية ويقترح طرقًا جديدة لتصميم أجهزة بصرية متقدمة مع تحسين الوظائف والاستجابة.
تضمنت عملية تصنيع العينات زراعة فيلم سيليكون بسمك 241 نانومتر على ركيزة سيليكا، تلاها نمذجة دقيقة باستخدام الطباعة الحجرية بالأشعة الإلكترونية والحفر غير المتجانس. استخدمنا نظام تصوير طيفي يعتمد على الزخم، تم بناؤه في المنزل، للحصول على أطياف النفاذية، مما يضمن دقة عالية في ميزات هيكل النطاق من خلال تطبيع القياسات مقابل طيف خلفية. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام إعداد ليزر قريب من الأشعة تحت الحمراء لقياسات خطوط التردد المتساوية وطيف التشتت، مما يسمح بتحليل مفصل للأوضاع الرنانة. أكدت المحاكاة العددية التي أجريت عبر طريقة العناصر المحدودة النتائج التجريبية، مما يوفر رؤى حول أوضاع بلوتش وتوزيعها داخل ألواح PhC. بشكل عام، لا تعزز أعمالنا فقط فهم الاضطراب في الأنظمة الفوتونية ولكنها تضع أيضًا الأساس للتطورات المستقبلية في التقنيات البصرية وظواهر النطاقات المسطحة الكمومية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65860-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41331153
Publication Date: 2025-12-02
Author(s): Haoyu Qin et al.
Primary Topic: Photonic Crystals and Applications
Methods
In this section, the authors present experimental results that confirm the existence of quasi-bound flat bands in a photonic crystal (PhC) structure. The PhC samples were fabricated with a 241-nm-thick silicon layer on a silica substrate, utilizing electron-beam lithography and reactive ion etching to create a mirror-symmetric disordered 1D PhC slab measuring approximately 500 × 500 μm². The angle-resolved transmission spectra were measured, revealing that the high-Q flat band disappears across all incident angles, which indirectly validates the presence of quasi-bound flat bands in the structure. Numerical simulations corroborate the experimental findings, demonstrating a strong agreement in the dispersions of Bloch bands.
To directly assess the Q-factors of the quasi-BFICs, the authors employed an optical setup for iso-frequency contour observation, revealing distinct sets of contours corresponding to flat bands and dispersive modes. The experimental results showed excellent alignment with theoretical predictions, allowing for the extraction of resonance Q-factors from scattering spectrum linewidth measurements. Notably, the Q-factor remained stable at approximately 8000 across a wide angular range, indicating a significant improvement over traditional bound states in the continuum (BICs), which exhibit a rapid decline in Q-factor with slight deviations from normal incidence. This demonstrates the exceptional angular insensitivity of the high-Q properties of the proposed quasi-BFIC structure.
Results
In this section, the authors investigate the properties of quasi-bound flat bands in a one-dimensional silicon photonic crystal (PhC) slab, focusing on the effects of mirror-symmetric disorder on the band structure and quality factors (Q-factors) of TE-like modes. The study reveals the presence of an isolated bound state in the continuum (BIC) with an infinite Q-factor at the center of momentum space, while other Bloch modes within the light cone exhibit a rapid decrease in Q-factor as their wavevector deviates from the BIC. The introduction of mirror-symmetric disorder in a supercell comprising thirteen fundamental units allows for the generation of various structures, which are analyzed to assess the impact of disorder strength on the bandwidth and averaged Q-factor of the targeted TE-like band. Notably, the optimal disorder strength is found to be around δ/W = 0.15, where high Q-factors and narrow bandwidths coexist, while excessive disorder leads to significant reductions in Q-factors due to increased radiation losses.
The authors further elucidate the characteristics of high-Q flat bands, particularly at wavelengths of 1520 nm and 1935 nm. The high-Q flat band at 1520 nm demonstrates exceptional Q-factors, reaching up to 200,000, attributed to strong localization of eigenmodes and the presence of multiple zero points in the Fourier coefficient distribution, which suppress radiation losses. In contrast, the lower Q-factor flat band at 1935 nm exhibits a single topological charge, resulting in higher radiation losses. The study emphasizes the critical role of mirror symmetry in maintaining the localization of eigenmodes and the emergence of quasi-BICs, suggesting that the spatial profile of flat-band eigenfields can be manipulated through disorder strength and supercell dimensions to optimize the performance of quasi-bound flat bands in photonic applications.
Discussion
In this study, we present a novel approach to harnessing disorder in photonic crystal (PhC) slabs to generate high-quality flat bands, referred to as quasi-Bound States in the Continuum (quasi-BFICs). Contrary to traditional views that disorder negatively impacts photonic bound states, our findings indicate that structural disorder can enhance light-matter interactions. We identify an optimal disorder strength that maximizes the generation probability of random quasi-BFICs, which arise from band folding, mode localization, and the emergence of multiple topological charges due to disorder. Experimental validation through angle-resolved transmission spectroscopy and scattering isofrequency contour imaging reveals uniform quality factors of approximately 8000 across a wide angular range (up to 47.4 degrees), challenging existing paradigms and suggesting new avenues for designing advanced optical devices with improved functionality and responsiveness.
The fabrication of the samples involved growing a 241-nm-thick silicon film on a silica substrate, followed by precise patterning using electron-beam lithography and anisotropic etching. We employed a home-built, polarization-resolved momentum-space imaging spectroscopy system to obtain transmittance spectra, ensuring accurate resolution of band structure features by normalizing measurements against a background spectrum. Additionally, a near-infrared laser setup was utilized for iso-frequency contour and scattering spectrum measurements, allowing for detailed analysis of resonant modes. Numerical simulations conducted via the finite element method confirmed the experimental results, providing insights into the Bloch modes and their distribution within the PhC slabs. Overall, our work not only advances the understanding of disorder in photonic systems but also lays the groundwork for future developments in optical technologies and flat-band quantum phenomena.