Science Advances：实现片上扭角双层光子晶体的光学能带结构测量

团队首次自主研发出了芯片上的双层纳米光子晶体制造技术，制作出了氮化硅薄膜的光学频率扭曲双光子结构（图二），对它们的动量空间上的光学响应和光学能带结构进行了理论分析及测量（图三）。本工作将测量中观察到的能带折叠和能带混合现象与数值和分析结果进行了比较（图四），展示了仿真和实验的高度一致性。因此首次验证了双层光子晶体板对能带结构，出射角度，及频率的高度可调性（图五）。

图1 (A)将高斯入射光照射方格晶格中带有圆形孔洞的扭曲双层光子晶体板，并将透射光映射到其动量空间。(B) 自上而下视角的莫尔晶格。(C) 扭曲双层的倒格子和基矢组成的两层之间的散射过程。第一层和第二层的倒空间分别由蓝色和橙色斑点的中心标记。较大和较亮的斑点表示较强的散射。方形网格和阴影区域表示一阶莫尔布里渊区。

图2. 设备制造过程和实验设置。 (A) 扭曲双层光子晶体板的制造过程。放大的图片是制造的单层光子晶体板的扫描电子显微镜（SEM）图像和具有莫尔图案的曲双层光子晶体版的50倍显微镜图像。 (B) 测量设置示意图。红色光线表示入射光及双层晶格的辐射诱导散射。P表示偏振器；O表示物镜。

图3. 哈密顿能带结构与实验中的等频率轮廓的比较。（A）具有 θ = 10.0° 扭曲双层光子晶体板的哈密顿能带结构。TM-和TE-like模式以红色和蓝色显示，每个色条表示耦合强度。虚线表示等频率轮廓的频率。（B）哈密顿（左）和实验测得的（右）等频率轮廓的对比。在哈密顿等频率轮廓中，TM-和TE-like带分别以红色和蓝色显示，并使用与（A）中相同的色条。在实验测得的等频率轮廓中，TM-和TE-like模式同时显示，色条表示CCD接收到的总透射强度。第一个等频率轮廓测量中的虚线表示第一个莫尔布里渊区。

图4. 单层、双层和具有θ = 10.0° 扭曲角度的扭曲双层光子晶体板的示意图、理论、仿真和实验测得的能带结构。（第一列）光子晶体板的配置。 （第二列）示意的能带结构。（第三列）TM（红色）和TE（蓝色）的哈密顿能带结构。灰色线表示在实验中不可见的本征模式。（第四列）RCWA计算。 （第五列）实验测量结果。区域1的能带结构由SuperK激光器测量，区域2的能带结构由Santec TSL可调激光器测量。

图5. 光学响应的角度依赖性。（A）具有不同扭曲角度的扭曲双层光子晶体板的实验（左列）和RCWA（右列）能带结构。实验中的带边缘由红色交叉点追踪，而RCWA中由红色星号表示。 （B）在RCWA中，扭曲双层光子晶体板的波矢随着扭曲角度的变化，其中 f = 190.5 THz。 （C）在RCWA中，扭曲双层光子晶体板的共振频率随着扭曲角度的变化，其中 k = 0.189b。颜色条表示强度。

团队展示了如何通过两个光子晶体板之间的扭曲角度来调控光学能带结构，制造了纳米级片上扭曲光子晶体，并对其复杂、非常规的光学性质进行了基础性的解释。本工作特别分析了可从等频率轮廓中观察到的一阶莫尔散射性质，以及能带结构中的带混合和带折叠性质。这个成果为在扭曲双层光子结构中调控电磁波传播奠定了基础。

扭曲光子晶体的能带结构的可调性也为理解本系统中的其他光学特性（例如连续态束缚、准晶光学、手性、偏振、非平凡拓扑模式和超散射等）提供了研究平台。本文中介绍的制造、测量和分析方法还可以作为构建复杂多层纳米光学材料和机械调控纳米光学材料的平台，为开发多种发双层平板光学器件（如可调滤波器、热辐射、光束偏转、可调激光器、自适应传感器和激光雷达）奠定了基础。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8498