基于comsol的THz超表面BIC设计思路

Eleven

BIC在周期性光学结构中是一类常见的共振态，但区别于其他的共振态，BIC无法向外界辐射电磁波。形成BIC最根本的原因是干涉相消，类似于初中光栅衍射实验中的暗纹。因此，想要严格地干涉相消，结构往往需要满足一定的对称性，例如C2对称性，C4对称性，这类BIC称为受对称性保护的BIC（symmerty-protected BIC）。当打破结构对称性，无法完全地干涉相消，因此会有部分能量泄露出来，也就是会与外界发生耦合。此时我们可以在谱线上观测到一个Fano线型的共振峰，称为准BIC（quasi-BIC）。接下来，我们首先设计一个近红外波段的BIC。为不失一般性，我们将近红外波段的BIC推广到我们所需要的THz波段，体会设计思路。软件为Comsol。

我们选取两根介质硅棒作为我们的结构，如下图所示，

两根介质棒严格等长平行，在电磁场的激励下会形成振幅相等但相位相反的一对电偶极子共振。。

在x和y方向我们选择周期性边界条件（注意：x方向设一个周期性边界，y方向设一个周期性边界），如下图所示，

z方向是我们的入射方向，在完美匹配层边界处设置入射端口和出射端口。

这里我们选择TM模式激发，考虑沿x轴斜入射的情况，磁场方向始终与波矢方向垂直，沿y方向。

首先我们在光波段（较为常见）去设计BIC，BIC是无法观测的，如下图蓝线所示，因此设计思路是在一个大的频率范围内去寻找准BIC。这里我们打破结构的对称性，将其中一个介质棒截短。打破了C2对称性（旋转180度无法与自身重合），此时，无法两个电偶极子无法严格干涉相消，泄露出来形成准BIC，如下图绿线所示。同理，其他对称性破缺方式也可以形成准BIC。

5 推广到THz

接下来介绍如何将已有的模型/BIC推广到想要的波段。在上述例子中，BIC大概位于1050 nm，THz波段我们选取0.5 THz，波长大概为600 um。在光学中如果按照一定的倍数缩放模型尺寸，那相应的波长也会以相同的倍数缩放。因此缩放后，我们可以得到THz的BIC和准BIC，分别如下图蓝线和绿线所示。