区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、北京大学信息科学技术学院彭超副教授、李正斌教授课题组关于光连续区束缚态（bound state in continuum, BIC）的理论研究取得重要进展，研究成果发表于近期的《物理评论快报》（Yi Yang, Chao Peng, Yong Liang, Zhengbin Li, Susumu Noda. Analytical Perspective for Bound States in the Continuum in Photonic Crystal Slabs, Physical Review Letters, 113, 037401, 2014; DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.037401）。论文第一作者为硕士研究生杨易，通讯作者为彭超副教授。
如何在微小尺度实现光场束缚是光电子领域一个广为关注的问题，是构造光缓存、光逻辑和光量子信息关键器件的前提和基础。传统上，一般通过光学或表面等离基元的微腔来完全禁止光逃逸，进而实现光束缚。然而研究发现，即使在允许光逃逸的情况下仍然可能实现光束缚，即所谓连续区束缚态。
最近，有关光子系统中连续区束缚态的理论和实验工作相继被报道。这些工作都要求光子系统具有一定的对称性，利用对称性导致的相消干涉抑制光场的逃逸。最近，麻省理工学院研究组在某些看似非常平凡的波矢处观察到了光束缚态现象，并在《自然》（Nature）上报道了这一发现。这些波矢似乎并不要求满足对称性条件，甚至可以通过控制某些参数实现束缚态的连续可调。这一现象的内在物理机制亟需理论解释。
图1 (a)观测到非Gamma点可调谐束缚态的光子晶体平板结构；(b) 基本格子；(c)-(e)不同面内波矢情况下的相位匹配条件
在前期光子晶体导模共振效应相关研究的基础上，课题组深入分析了光子系统中的光场作用机制和耦合过程，提出解析模型，发现这种连续可调的光束缚效应是由一种偶然对称性（accidental symmetry）导致的（图1(b), (c)）。由于这种对称性，逃逸光场产生了带权重（weighted）的干涉相消效应，从而实现光束缚。干涉效应的权重可以被多种物理参数调控，从而产生连续可调的光束缚态（图2）。该解析模型结果与麻省理工学院报道的实验结果完全吻合。而且，基于类似的对称性，理论上预言了另一个连续区束缚态的存在，并用数值计算进行了验证。该工作澄清了可调光连续区束缚态现象的内在物理机制，为实现精确的光束缚操控和设计奠定了基础；此外，所得模型也为硅基光子器件中实现连续可调的光束缚提供了一种简洁的分析研究手段，在光缓冲、光逻辑、光信号处理和量子信息调控等方向的研究中具有巨大应用潜力。
图2. (a), (b)非Gamma点光连续区束缚态的可调谐性
这项研究工作得到了国家重点基础研究发展规划（“973计划”）、国家自然科学基金、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的支持。
