近日，中山大學微電子科學與技術(shù)學院徐政基副教授帶領(lǐng)團隊在《Optics Letters》發(fā)表了題為“Passive Non-reciprocal Metasurfaces Based on Independently Tunable Nonlinear Dual Bound States in the Continuum”的研究成果，文章第一作者為2024級研究生范燁，通訊作者為徐政基副教授。

光的非互易性是指光在介質(zhì)中向前和向后傳播的特性不同的現(xiàn)象?？紤]到麥克斯韋方程組的線性性質(zhì)，由這些方程導出的洛倫茲互易定理表明，在正常情況下，光場表現(xiàn)出互易性。當兩組源的位置互換時，雖然產(chǎn)生的具體電磁場會發(fā)生變化，但源與場之間的相互作用不變，場之間的相互作用也不變。因此，實現(xiàn)非互易的挑戰(zhàn)在于打破洛倫茲互易定理。

打破洛倫茲互易定理的一種方法是利用光學非線性效應。在強光場中，材料的非線性響應會引起折射率的顯著變化，可用于設(shè)計在特定光強或特定波長下具有非互易效應的光學器件。引入高品質(zhì)因子光學諧振以增強材料的非線性效應，可以實現(xiàn)非互易且降低所需的光強。然而，目前的研究僅限于較窄的單波長范圍，阻礙了多波長通信的應用。

本研究提出一種雙非對稱周期光柵結(jié)構(gòu)的超表面，基于其產(chǎn)生的對稱保護的雙連續(xù)域束縛態(tài)（Bound States in the Continuum, BIC），來實現(xiàn)在兩個波長附近的非互易傳輸和光學雙穩(wěn)態(tài)。本研究同時引入了面內(nèi)和面外不對稱性。面內(nèi)不對稱性用來調(diào)節(jié)準BIC的輻射線寬，面外不對稱性使入射平面波在正反兩個方向與超表面產(chǎn)生不對稱耦合。此外，還說明了器件的最小插入損耗和非互易強度范圍之間存在的限制和所允許的界限，并解釋了如何接近和達到這種界限。該研究拓展了非互易器件的應用領(lǐng)域，為非互易器件的設(shè)計提供了一種新方法。

圖1 超表面的結(jié)構(gòu)和線性條件下的諧振特性

超表面的結(jié)構(gòu)和線性條件下的諧振特性如圖1所示。觀察到兩個BIC模式，對應電場分別被束縛在空氣間隙和光柵條所對應的夾層鍺膜中。這兩個BIC分別是由空氣間隙和光柵條的對稱性造成的，通過調(diào)整空氣間隙和光柵條的寬度，破壞對稱性，可以獨立地操縱兩個準BIC模式。

圖2 Kerr效應影響下超表面的非互易特性

如圖2所示，對Kerr效應影響下超表面的非互易特性進行研究。鍺材料在z方向上的不對稱使得兩個端口分別激發(fā)產(chǎn)生不對稱響應，導致在一定強度范圍內(nèi)，兩個方向上的透射傳輸是非互易的。通過對不同厚度的鍺進行仿真，結(jié)合理論分析，得到非互易強度范圍和最大前向透過率之間的限制。

圖3 面外不對稱性導致的對于兩個方向激發(fā)產(chǎn)生不同程度的共振頻率的偏移，和在所限制邊界處的非互易傳輸

如圖3所示，對非互易傳輸?shù)南拗七吔邕M行了研究。通過調(diào)整入射強度，使得前向傳輸透射峰的最大值和后向傳輸透射峰的最小值在同一波長處對齊，此時對應的波長處對應這一結(jié)構(gòu)下最大前向透過率和非互易強度范圍關(guān)系的不等式邊界。

圖4 超表面的光學雙穩(wěn)態(tài)

如圖4所示，對非線性導致的光學雙穩(wěn)態(tài)進行了分析。在兩個非互易波長分別進行入射功率增加和入射功率減小掃描，獲得強度相關(guān)透射率。由于三階非線性存在，光強變化時會存在正反饋機制，對于同一個入射強度，系統(tǒng)存在兩個穩(wěn)定的狀態(tài)。

本工作通過創(chuàng)新性的超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了基于連續(xù)域束縛態(tài)的雙波長非互易傳輸，不僅推動了光學非互易機制的基礎(chǔ)研究，也彰顯了超構(gòu)表面在電磁信息傳輸與控制領(lǐng)域的重要潛力。該技術(shù)在保護高功率激光器、為模擬計算引導非互易信號方面具有重要的應用價值，為現(xiàn)代激光與通信系統(tǒng)的小型化、集成化發(fā)展提供了有力支撐。