1. 導讀
連續域束縛態（Bound states in the continuum，BIC）被認為是一種異于波動理論傳統觀點的一種物理現象。雖然其頻率處于輻射連續域中，卻沒有與輻射波發生耦合，而是像導波模式一樣嚴格地束縛在波導內。這種在不遵從全內反射前提下沒有輻射損耗的奇異現象引起了科研工作者的關注，并在近幾年通過各種體系對BICs進行了深入探索。
在光學體系中，由于理想BICs具有共振線寬無限窄，Q值無限大的特點，有望應用于濾波器、激光器、以及傳感器的設計中，并能夠在很大程度上提高器件的性能。但是現實制備過程中，由于器件有限的尺寸以及缺陷的存在，理想BICs通常退化為準BICs，在光譜上體現為Fano線型。因此，設計激發準BIC模式的有源器件有著非常重要的意義和應用前景。
基于以上理論背景，近日，杭州電子科技大學智能微傳感器與微系統教育部工程中心光學傳感研究小組在Nanophotonics上發表最新研究進展，提出了一種雙光柵對稱結構，并在該結構中實現了多種BIC模式。研究者對其中法布里-珀羅（Fabry-Pérot）BIC進行了機理分析以及設計，在準BIC模式下通過引入羅丹明有機增益（R6G），對結構內在損耗進行補償，實現了準BIC模式的激發。此外，在準BIC激光的基礎上，研究小組通過理論上改變環境折射率來模擬氣體環境的變化，進而檢測器件的光譜響應，發現器件有著非常靈敏的傳感特性。由于準BIC激光具有非常窄的光譜線寬，其傳感品質因子高達4420RIU-1，在無源氣敏傳感的基礎上提高了一個量級。
該研究成果不僅為實現小尺度，低閾值激光器提供了明確的理論和設計參考，同時為有源器件在光與物質相互作用以及光傳感領域的研究提供了新思路。
2. 研究背景
光學傳感相比于其他傳統傳感技術，具有抗電磁干擾性能強、響應速度快等優勢。而表面等離子激元共振（SPR）傳感器通過表面等離極化激元（SPP）可以實現無接觸、實時免標記檢測，為傳統光學傳感器設計提供了一種更為有效的技術手段。然而傳統的SPR傳感器具有較大的金屬歐姆損耗，造成共振帶寬較寬，進而使得傳感靈敏度和品質因子均不高。
為解決這一技術挑戰，科研工作者之前采用增強金屬表面電場的方式，如引入金屬納米顆粒來誘導其與金屬膜之間的強場耦合產生局域表面等離激元共振（LSPR）。但是進一步提高LSPR傳感器的性能需設計高質量的二維等離激元納米結構，成本很高，且改善效果不理想。如何進一步減小光學傳感器的尺寸，提高傳感性能，是該領域當前面臨的重要科學問題。
3. 創新研究
針對以上問題，研究人員結合光學BICs的獨特性質，提出了一種實現準BIC激光并將有源器件應用于傳感的思路，大大提高了傳感器件的靈敏度和品質因子。具體結構設計如圖1所示。結構上下層為對稱分布的Si3N4光柵，構成HCG諧振腔。中間層為摻有有機R6G染料分子的單層SiO2。這樣，整體上構成一種“三明治”結構。
圖1 器件具體結構示意圖
研究人員首先對未加入有機增益的耗散結構進行了系統研究。在光柵寬度T = 230 nm，占空比F = 0.5，周期Λ = 530 nm的條件下，通過改變光柵厚度我們可以看到反射譜在特定的位置出現了不連續的現象（圖2a）。通過角譜分析，我們發現該結構中存在多種BIC：對稱保護型BIC，偶然型BIC以及法布里-珀羅型BIC。圖2a中“斷點”對應圖2b中Γ點處模式2。此外，結合（x, z）平面電場分布，可以發現大部分能量束縛在由光柵組成的諧振腔內，進而可以判斷模式2為FP-BIC。對于其機理可以理解為耦合到單個輻射通道的模式在沒有其他損耗的情況下，由于直接傳輸和共振輻射會相互相干相消，進而在諧振頻率附近產生反射。兩個同樣的結構就可以組成一對高反射鏡，進而形成一個法布里-珀羅型微腔。通過調整高反鏡之間的距離可以使反射波往返的相移為2π的整數倍，這樣就可以促使法布里-珀羅型BIC 模式的形成。
圖2 耗散結構表征結果
在模式2理想BIC的基礎上，通過改變SiO2厚度獲得準BIC模式。并通過摻入有機增益補償結構內在損耗，實現了準BIC模式的激發，形成了BIC激光。圖3為激光激射表征結果。輸出能量在閾值之上突然和泵浦能量呈線性增長以及光譜線寬的急劇變窄都體現了激光的激射行為。
圖3 激光激射表征結果
4. 應用與展望
通過改變器件所處的環境折射率，研究人員進一步對器件的氣敏傳感特性進行了研究。結果表明器件對環境的改變有著靈敏的響應，當環境折射率改變量僅為0.0005時，器件的響應光譜峰位就有著很明顯的移動（圖4a），達到現實普通光譜儀的測量范圍。此外，光譜峰位的移動量和折射率改變量呈線性關系（圖4b），表明該有源器件對氣體環境有著良好的檢測功能。由于BIC激光具有非常窄的線寬，計算得到器件傳感靈敏度為221 nm/RIU，品質因子高達4420 RIU-1。該指標高出先前報道的無源傳感器品質因子一個量級，充分說明該準BIC激光器件在危險氣體檢測方面具有很強的實用價值。
圖4 傳感性能表征結果
該研究成果以“Quasi-BIC laser enabled by high-contrast grating resonator for gas detection”為題在線發表在Nanophotonics。
本文第一作者是電子信息學院2019級碩士研究生張浩然同學，電子信息學院王濤副教授、王高峰教授以及浙江大學陳紅勝教授為通訊作者。來自南洋理工大學的田靜逸博士，墨西哥蒙特雷科技大學的Israel De Leon教授、中科院寧波材料研究所的Remo Proietti Zaccaria教授，浙江大學高飛、林曉教授以及工程中心彭亮教授、李紹限老師參與了本項工作。該項目得到了國家自然科學基金以及浙江省自然科學基金的支持。
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