Advanced Photonics 2021年第1期论文
Lujun Huang, Lei Xu, Mohsen Rahmani, Dragomir Neshev, Andrey E. Miroshnichenko. Pushing the limit of high-Q mode of a single dielectric nanocavity[J]. Advanced Photonics, 2021, 3(1): 016004
具备高品质因子(Q-因子)的光学谐振子在现代光子学中发挥了重要的作用，因为这类光学谐振子能把光场局域在非常小的区域。它们广泛用来实现低阈值激光器和高灵敏度的传感器，以及增强非线性谐波。目前常用的两个实现高Q-因子的结构是光子晶体微腔和基于回音壁模式的微腔(包含微球和微环谐振子)。然而，为了实现高Q-因子，它们的结构尺寸至少应和波长相当，甚至是波长的十几倍。如何减小光学谐振子的尺寸同时又保持高Q-因子对于实现片上激光光源显得尤为重要。
高折射的介质纳米结构支持高阶电学和磁学米氏共振模式。和基于金属结构的等离子体共振模式相比，介质结构的损耗要小的多。这两个独特的性质使得介质纳米结构成为实现高性能光子器件的有利候选。基于介质微结构的超表面被广泛用来实现超高品质因子的光学共振模式。这类嵌入在连续谱中的高品质因子模式又被称之为连续谱中的束缚态。单个介质结构同样支持不同的共振模式，如何系统地找到这类结构中的高Q-因子模式到目前为止还是一个悬而未决的问题。
图1（a）模式本振频率vs 方形纳米线宽高比; (b）模式Q因子 vs 方形纳米线宽高比; (c) 基于多级子展开的辐射分析; (d) 模式本征场等效分解到圆形纳米线本征场
近期，来自新南威尔士大学、诺丁汉特伦特大学和澳大利亚国立大学的联合研究团队提出了一种普适的方法来找出单个介质纳米腔 (比如二维长方形纳米线，三维纳米圆柱和方形柱)的高Q-因子模式。该方法主要是基于米氏模式(又称漏模)调控。相关成果以Pushing the limit of high-Q mode of a single dielectric nanocavity为题发表于Advanced Photonics 2021年第1期。
研究者发现，高Q-因子模式和低Q-因子模式总是成对出现的。如图1所示，通过调节方形纳米线的宽高比，这两个模式的本振频率出现反交叉(或者交叉)，与此同时其中一个模式TE(3,5)的Q因子会达到最大值3300，另外一个模式TE(5,3)Q因子减小到最小值。研究者通过对这两个模式进行多级子展开，探讨了高-Q模式和低Q-模式形成的机理。他们发现，高Q模式的辐射通道具备数量少、辐射小的特点。与此截然相反的是，低Q模式含有多辐射通道，而且这些通道辐射强度大。这样的设计方法不仅适用于不同偏振条件下的二维长方形纳米线，也适用于三维有效高的纳米圆柱和方柱。
此外，研究团队通过加工硅纳米线并测试其散射谱从实验上证实了这类高Q模式的存在。如图2所示，实验测试结果与理论预测结果吻合的很好，Q因子高达211。
图2（a）结构示意图; (b）硅纳米线的典型散射谱; (c) 理论计算和实验测试的Q因子; (d) 理论计算和实验设计的本征频率
这类高Q模式将在增强光与物质相互作用发挥重要作用。它使得实现基于介质纳米腔的具备低阈值的激光器成为可能。同样，它也能大大增强单个介质纳米颗粒的非线性谐波和微腔-半导体激子的强耦合。更多详情请浏览全文Pushing the limit of high-Q mode of a single dielectric nanocavity。
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