Performance optimization of planar photonic crystal bound states in the continuum cavities: mitigating finite‑size effects

通讯作者：Yonggang Zou（长春理工大学）

第一作者：Ran Hao（长春理工大学、中国计量大学）

研究背景

连续域束缚态（Bound States in the Continuum, BIC）为实现高 Q 值（品质因子）光子晶体腔提供了全新路径，其理论上可支持无限大 Q 因子，显著降低激光阈值并提升光谱纯度。然而，实际应用中光子晶体的有限尺寸效应会破坏 BIC 模式的完美对称性，导致 Q 因子急剧下降（图1），成为制约 BIC 腔实际应用的关键瓶颈。当前，电泵浦 BIC 激光器的研究主要集中在太赫兹频段，光学频段的电泵浦 BIC 激光器尚未见报道，面临着亚波长结构加工和光电设计的双重挑战。

图1 有限尺寸结构中光子晶体模式的数值分析。(a)有限光子晶格的能带结构。插入：BIC模式电场分布的模拟结果。(b) Q因子随光子晶体孔半径的变化，显示出与BIC条件相对应的明显共振峰。(c) 品质因数Q随光子晶体周期数N的变化，突出了由于有限尺寸限制导致的Q的急剧下降

文章简介

长春理工大学与中国计量大学团队联合攻关，针对平面光子晶体 BIC 腔的有限尺寸效应，提出两种高效优化策略 ——反射型光子晶体腔设计与渐变型光子晶体腔设计，首次在 940 nm 波段实现电泵浦 BIC 激光输出，获得高达 1.18×10⁴的 Q 因子，较未优化结构提升两个数量级。相关成果以Performance optimization of planar photonic crystal bound states in the continuum cavities: mitigating finite‑size effects为题发表于《Frontiers of Optoelectronics》2025 年第 1 期，为有限尺寸 BIC 腔的实际应用奠定了重要基础。

创新点一：反射型边界设计增强模场限制

研究团队在有限尺寸光子晶体边缘引入反射型光子晶体层（图 2a），通过晶格常数的梯度匹配，使 BIC 模式频率落入次级结构的光子带隙内，形成 “软边界” 反射效应，有效抑制边界处的电磁泄漏。模拟结果表明，该设计将 N=11 的有限尺寸结构 Q 因子从 186 提升至 13,974，接近理想 BIC 模式的高 Q 特性（图 2c）。

图2 具有反射边界的有限光子晶体中BIC模式的设计。(a) 由两个区域组成的光子晶体结构示意图：支持BIC模式的中心光子晶体A（红色边界）和提供模式限制的周围光子晶体B（青色边界）。(b) 晶格常数a=317.8nm和b=335nm的光子晶体的能带结构。红点表示BIC模式频率，该频率落在周围光子晶体B的带隙（阴影区域）内。(c) 左y轴：品质因数随频率的变化，在300.6 THz处显示出Q=13974的尖锐共振峰，证明了反射边界设计的有效模式限制，右y轴：不同晶格常数a下的共振频率变化，而b固定在335 nm

创新点二：渐变型结构实现绝热模式过渡

针对边界处的模式截断问题，提出渐变型光子晶体设计，通过从中心到边缘逐渐增大空气孔半径（Δr=8 nm），形成绝热过渡区域，逐步调整波矢以匹配 BIC 模式条件。该设计利用波矢补偿机制（k_grad= k_bic+ Δk_out-of-plane+ Δk_{radius-modulate}），将 Q 因子进一步提升至 92,091，较未优化结构提升近 500 倍（图 3b）。渐变结构通过减小模式有效面积，增强中心区域的光场束缚，从物理机制上缓解了有限尺寸引起的辐射损耗。

图3绝热模式转换的分级光子晶体设计。(a) 渐变光子晶体结构的示意图，其中孔半径从中心到边缘逐渐变化。(b)品质因数Q（蓝色圆圈）和有效模面积Aeff（红色方块）随半径变化量Δr的变化

实验验证与性能突破

研究团队采用电子束光刻技术制备了反射型光子晶体腔器件，通过分布式布拉格反射镜（DBR）实现垂直腔结构，成功获得 940 nm 电泵浦激光输出。光谱测试显示，器件实现了高纯度单模运转，信噪比达 38.6 dB，输出功率稳定性优于 98%（图 4b）。与同类研究相比，该工作首次在光学频段实现电泵浦 BIC 激光，最小晶格常数317.8 nm，孔半径105 nm，展现出优异的集成潜力，Q 因子较已报道电泵浦器件提升近 4 倍。

图4反射型光子晶体腔激光器的器件制造和表征。(a) 电子束光刻工艺后的扫描电子显微镜图像，显示了由区域a和区域B的两个不同晶格常数的光子晶体组成的多层结构，插图：光子晶体孔的放大图。(b) 微腔激光器的测量发射光谱，单模工作的信噪比为38.6 dB。

总结与展望

本研究通过两种简单有效的策略，显著缓解了光子晶体 BIC 腔的有限尺寸效应，为高 Q 值、小尺寸 BIC 器件设计提供了普适性方法。反射型设计的工程可行性与渐变型设计的理论突破，共同推动 BIC 腔从理想模型走向实际应用。未来研究可进一步结合材料创新（如二维材料集成）与工艺优化（如纳米压印技术），探索片上 BIC 激光器在光通信、传感等领域的深度应用，为高性能集成光子器件开辟新路径。