1. 导读

连续域束缚态（Bound states in the continuum，BIC）被认为是一种异于波动理论传统观点的一种物理现象。虽然其频率处于辐射连续域中，却没有与辐射波发生耦合，而是像导波模式一样严格地束缚在波导内。这种在不遵从全内反射前提下没有辐射损耗的奇异现象引起了科研工作者的关注，并在近几年通过各种体系对BICs进行了深入探索。

在光学体系中，由于理想BICs具有共振线宽无限窄，Q值无限大的特点，有望应用于滤波器、激光器、以及传感器的设计中，并能够在很大程度上提高器件的性能。但是现实制备过程中，由于器件有限的尺寸以及缺陷的存在，理想BICs通常退化为准BICs，在光谱上体现为Fano线型。因此，设计激发准BIC模式的有源器件有着非常重要的意义和应用前景。

基于以上理论背景，近日，杭州电子科技大学智能微传感器与微系统教育部工程中心光学传感研究小组在Nanophotonics上发表最新研究进展，提出了一种双光栅对称结构，并在该结构中实现了多种BIC模式。研究者对其中法布里-珀罗（Fabry-Pérot）BIC进行了机理分析以及设计，在准BIC模式下通过引入罗丹明有机增益（R6G），对结构内在损耗进行补偿，实现了准BIC模式的激发。此外，在准BIC激光的基础上，研究小组通过理论上改变环境折射率来模拟气体环境的变化，进而检测器件的光谱响应，发现器件有着非常灵敏的传感特性。由于准BIC激光具有非常窄的光谱线宽，其传感品质因子高达4420RIU-1，在无源气敏传感的基础上提高了一个量级。

该研究成果不仅为实现小尺度，低阈值激光器提供了明确的理论和设计参考，同时为有源器件在光与物质相互作用以及光传感领域的研究提供了新思路。

2. 研究背景

光学传感相比于其他传统传感技术，具有抗电磁干扰性能强、响应速度快等优势。而表面等离子激元共振（SPR）传感器通过表面等离极化激元（SPP）可以实现无接触、实时免标记检测，为传统光学传感器设计提供了一种更为有效的技术手段。然而传统的SPR传感器具有较大的金属欧姆损耗，造成共振带宽较宽，进而使得传感灵敏度和品质因子均不高。

为解决这一技术挑战，科研工作者之前采用增强金属表面电场的方式，如引入金属纳米颗粒来诱导其与金属膜之间的强场耦合产生局域表面等离激元共振（LSPR）。但是进一步提高LSPR传感器的性能需设计高质量的二维等离激元纳米结构，成本很高，且改善效果不理想。如何进一步减小光学传感器的尺寸，提高传感性能，是该领域当前面临的重要科学问题。

3. 创新研究

针对以上问题，研究人员结合光学BICs的独特性质，提出了一种实现准BIC激光并将有源器件应用于传感的思路，大大提高了传感器件的灵敏度和品质因子。具体结构设计如图1所示。结构上下层为对称分布的Si3N4光栅，构成HCG谐振腔。中间层为掺有有机R6G染料分子的单层SiO2。这样，整体上构成一种“三明治”结构。

图1 器件具体结构示意图

研究人员首先对未加入有机增益的耗散结构进行了系统研究。在光栅宽度T = 230 nm，占空比F = 0.5，周期Λ = 530 nm的条件下，通过改变光栅厚度我们可以看到反射谱在特定的位置出现了不连续的现象（图2a）。通过角谱分析，我们发现该结构中存在多种BIC：对称保护型BIC，偶然型BIC以及法布里-珀罗型BIC。图2a中“断点”对应图2b中Γ点处模式2。此外，结合（x, z）平面电场分布，可以发现大部分能量束缚在由光栅组成的谐振腔内，进而可以判断模式2为FP-BIC。对于其机理可以理解为耦合到单个辐射通道的模式在没有其他损耗的情况下，由于直接传输和共振辐射会相互相干相消，进而在谐振频率附近产生反射。两个同样的结构就可以组成一对高反射镜，进而形成一个法布里-珀罗型微腔。通过调整高反镜之间的距离可以使反射波往返的相移为2π的整数倍，这样就可以促使法布里-珀罗型BIC 模式的形成。

图2 耗散结构表征结果

在模式2理想BIC的基础上，通过改变SiO2厚度获得准BIC模式。并通过掺入有机增益补偿结构内在损耗，实现了准BIC模式的激发，形成了BIC激光。图3为激光激射表征结果。输出能量在阈值之上突然和泵浦能量呈线性增长以及光谱线宽的急剧变窄都体现了激光的激射行为。

图3 激光激射表征结果

4. 应用与展望

通过改变器件所处的环境折射率，研究人员进一步对器件的气敏传感特性进行了研究。结果表明器件对环境的改变有着灵敏的响应，当环境折射率改变量仅为0.0005时，器件的响应光谱峰位就有着很明显的移动（图4a），达到现实普通光谱仪的测量范围。此外，光谱峰位的移动量和折射率改变量呈线性关系（图4b），表明该有源器件对气体环境有着良好的检测功能。由于BIC激光具有非常窄的线宽，计算得到器件传感灵敏度为221 nm/RIU，品质因子高达4420 RIU-1。该指标高出先前报道的无源传感器品质因子一个量级，充分说明该准BIC激光器件在危险气体检测方面具有很强的实用价值。

图4 传感性能表征结果

该研究成果以“Quasi-BIC laser enabled by high-contrast grating resonator for gas detection”为题在线发表在Nanophotonics。

本文第一作者是电子信息学院2019级硕士研究生张浩然同学，电子信息学院王涛副教授、王高峰教授以及浙江大学陈红胜教授为通讯作者。来自南洋理工大学的田静逸博士，墨西哥蒙特雷科技大学的Israel De Leon教授、中科院宁波材料研究所的Remo Proietti Zaccaria教授，浙江大学高飞、林晓教授以及工程中心彭亮教授、李绍限老师参与了本项工作。该项目得到了国家自然科学基金以及浙江省自然科学基金的支持。