近日，我校電子信息學院智能微傳感器與微系統教育部工程研究中心王濤副教授的研究生張浩然以第一作者第一單位在Nanophotonics（影響因子：8.449）上發表題目為“Quasi-BIC laser enabled by high-contrast grating resonator for gas detection”的研究論文。我校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、中國科學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。
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。這種未達到全內反射也可以無輻射損耗的奇異現象引起了科研工作者的廣泛關注，并在近幾年通過各種體系對其進行了深入探索。其中光學體系中的理想BICs具有共振線寬非常窄，Q值無線大的特點，可以應用于濾波器、激光器、以及傳感器的設計中，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。
研究人員結合光學BIC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。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
本文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的前提下，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性（圖2a）。通過角譜分析，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能量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，通過調整高反鏡之間的距離可以使反射波往返的相移為2pi的整數倍，這樣就形成了法布里-珀羅型BIC 模式。而由兩個高反鏡組成的結構可以看作是法布里-珀羅諧振腔。
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
通過改變器件所處的環境折射率，本文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4420RIU-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。
