截断硅柱光子晶体中边缘束缚态在连续谱中的观察

逍遥设计自动化

引言
束缚态在连续谱中(BIC)是光子技术中一个引人注目的现象，光在辐射连续谱中能够完美地限制在结构内。本文探讨了在截断硅柱光子晶体中边缘BIC的实现，并说明在传感和光调制应用中的优势[1]。

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: {8 R+ A; |( y基本原理与结构设计
- `/ I9 |- q6 Y7 W' C边缘BIC的基础来源于光子晶体(PhC)结构的独特性质。二维光子晶体通常由周期性排列的介电材料构成，形成禁止光传播的光子带隙。在这个实现方案中，硅柱按600纳米的周期排列成方阵，其中终端层的硅柱直径(260-270纳米)大于其余结构(160纳米)。

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图1展示了支持边缘BIC的截断二维光子晶体的结构设计。扫描电子显微镜图像显示硅柱高度为1.5微米，位于约0.9微米高的二氧化硅柱上，展示了制造这些结构所需的精确工艺。

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物理机制与工作原理
; x6 T2 V- ^( {" x& B边缘BIC是一种特殊的法布里-珀罗BIC，被空气界面和光子晶体界面这两个反射体所限制。模式沿着终端硅柱阵列传播，同时保持高度限制。这种独特的构造产生破坏性干涉，防止辐射泄漏，在光线以上形成完美限制状态。

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图2显示了边缘BIC的仿真结果，包括色散图、品质因数分析和电场分布，展示了该现象的理论基础。
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光子晶体的带隙范围从1244纳米延伸到1704纳米，对应的归一化频率(ωa/2πc)为0.352到0.482。边缘BIC模式在带隙内光线以上出现，具体在1424纳米波长处，此时模式在终端层高度局域。

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$ r1 N' b8 ?9 |& `+ ?  @+ P实验实现与性能
' X0 X: D. q* @% r# q制造过程使用电子束光刻和反应离子刻蚀在硅绝缘体(SOI)晶圆上进行。实现过程中的关键是二氧化硅层的下刻蚀以形成基座结构，这对实现与边缘BIC相关的可观测透射峰极其重要。
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图3通过透射测量展示了边缘BIC的实验观察结果，显示随终端硅柱直径变化的清晰共振峰。
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实验结果显示，终端硅柱直径为260纳米的结构品质因数可达237。共振波长和品质因数对结构参数表现出高灵敏度，可以精确调节光学响应。

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高级功能与传感应用
边缘BIC最有前途的应用之一是传感技术。通过氧化铝共形涂层实验证明，该结构对环境变化表现出显著的灵敏度。
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图4展示了准BIC的表面灵敏度和可调性，显示了不同氧化铝涂层厚度的透射谱及共振特性的相应变化。
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纳米级厚度的氧化铝层会导致共振波长显著移动，灵敏度约为每纳米涂层厚度产生1.12纳米的波长移动。此外，通过最佳涂层厚度可将品质因数提高67%，在2.5纳米氧化铝层时达到396。
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1 @6 V% Q5 U9 Q结论与展望
$ Y" u$ `1 f/ t$ ?& h2 ]- L2 J; l在截断硅柱光子晶体中的边缘束缚态在连续谱中代表了光子技术的重要进展。通过结构参数和原子层沉积表面改性的优化，已实现品质因数达到396。

通过氧化铝层共形涂层等简单的后制造工艺调节共振特性，为器件优化和适应提供了显著的灵活性。观察到的表面灵敏度为每纳米涂层厚度产生1.12纳米波长移动，表明这些结构在高性能传感应用中具有优势。
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继续优化制造工艺以减少表面粗糙度和结构缺陷，可能实现更高的品质因数。集成主动材料或响应涂层可实现动态调节功能，扩展在光开关和调制中的应用。
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在硅基光子晶体中成功实现边缘BIC，使其与现有半导体制造工艺兼容。随着该领域的发展，这些结构在生物传感到光通信等领域都有应用机会，推动集成光子技术的进步。
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参考文献
[1] R. Sato, C. V. Bertelsen, M. Nikitin, E. Lopez Aymerich, R. Malureanu, W. E. Svendsen, A. V. Lavrinenko, and O. Takayama, "Observation of edge bound states in the continuum at truncated silicon pillar photonic crystal," Nature Communications, vol. 15, no. 10544, pp. 1-8, Dec. 2024.
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