圖1.超表面結構的電場分布(a-b)沒有ENZ薄膜(d-f)有ENZ薄膜

近日，中科院西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室非線性光子技術及應用課題組在超表面非線性光子學領域取得重要進展，相關研究成果發表于國際著名期刊Materials Today Nano(IF=10.3)，論文第一作者為2020級博士生石文娟。

全光信號處理、全光計算和量子芯片等領域的快速發展對非線性光子器件的集成度、調制速度、功耗等性能提出了新挑戰，如何突破非線性光子器件功耗與尺寸的限制，在微納尺度下提升非線性光子器件性能是光子集成領域的重要科學問題。介電常數近零(epsilon-near-zero ，ENZ )材料在亞波長尺寸上表現出超快、超強非線性效應的特征，被廣泛用于片上全光調制、全光開關、光子探測、量子糾纏源等領域的研究。損耗大是ENZ材料的最大缺點，這導致ENZ材料Q因子低、作用距離短，難以走向實用化發展。因此，不斷探索新的物理機制降低ENZ材料損耗、獲得高Q因子是實現高性能非線性光子器件的關鍵。

圖2.(a)線性反射譜與半徑的關系(b)Q因子與半徑的關系

圖3.(a)非線性折射率系數(b)非線性反射調制

課題組通過將ENZ薄膜嵌入到金屬與半導體介質的混合超表面結構中，首次在近紅外波段提出了基于ENZ薄膜的準連續域束縛態(Quasi Bound states in the continuum，quasi-BIC)超表面結構，使得在大損耗的ENZ材料中通過消除輻射損耗實現高品質Q因子。相比于ENZ薄膜，該超表面結構非線性系數提高了3個數量級，可有效降低片上非線性光子器件的功耗。研究發現，基于金屬鏡像理論，該超表面結構高效實現了鏡像磁偶極子與ENZ薄膜的共振，極大增強了ENZ薄膜中的局域場，顯著提高了非線性光與物質的相互作用。同時，通過ENZ薄膜中Berreman模式與光子模式的干涉相消，成功實現了具有高品質Q因子的quasi-BIC模式。得益于quasi-BIC模式的強局域場、完美吸收特性以及ENZ薄膜中的熱電子動力學過程，該結構對于實現高調制速度、大調制深度的全光調制器件具有明顯優勢。該研究成果為實現納米尺度下的超強非線性和超快動力學提供了新思路，可拓展于基于二維材料的片上光子器件研究，有望在集成光子學領域發揮重要作用。

審核編輯 黃宇