近日，中山大学微电子科学与技术学院徐政基副教授团队在国际光学领域知名期刊《Laser & Photonics Reviews》上发表了题为“Universal Polarization- and Angle-Independent Quasi-Bound States in the Continuum via Degeneracy Protection in Metasurfaces”的研究成果。学院2025届博士毕业生张树斌为论文第一作者，徐政基副教授为唯一通讯作者。本工作同时得到了电子与信息工程学院廖少林教授、人工智能学院王雪鹤副教授，以及微电子科学与技术学院杨志强副教授、李焱副教授的有力支持。
研究提出了一种基于简并保护机制的新型连续域束缚态（DP-BIC）实现方法，研究团队通过调节纳米孔直径，诱导布里渊区的二次折叠，生成了模式简并的准BIC，从而天然消除了远场辐射中的偏振依赖性。更进一步，布里渊区的折叠导致了平坦的光子带，极大地抑制了角度色散，使得准BIC能够在广泛的入射角范围内稳定工作，有效解决了传统BIC技术存在的偏振敏感和角度依赖问题。
研究背景
近年来，连续域束缚态在（BICs）因其出色的电磁场约束能力和高Q因子在光学领域引起了广泛关注。然而，传统的准BIC常常由于结构对称性破缺而导致偏振和角度依赖性，限制了其在实际应用中的表现。
能带简并与结构设计
本研究采用四原子超晶格结构设计，通过将四个相邻空气孔组合成新的单元胞，使晶格周期加倍，实现布里渊区的二次折叠。如图1所示，这种结构修改将单原子晶格中不可折叠的束缚态迁移至超晶格的Γ点，在保持反演对称性的同时，产生了一对简并的TE和TM模式。
理论分析和有限元模拟结果表明，在Γ点处，TM1和TM2模式的色散曲线重叠，形成特征值简并，标志着连续域中束缚态的形成。这种简并模式的存在为实现偏振无关特性提供了物理基础。
周期性结构中的能带简并设计
器件制备与表征
器件采用标准微纳加工工艺制备。首先在石英衬底上通过磁控溅射沉积400nm厚的锗薄膜，然后采用电子束光刻和反应离子刻蚀技术形成周期性纳米孔阵列。结构表征显示，制备的纳米孔阵列具有良好的周期性和形貌一致性。通过选择性调节其中一个纳米孔的半径（Δr = r - r₀），引入可控的结构扰动，将理想的BIC转变为具有有限辐射泄漏的q-BIC状态。实验结果表明，随着Δr增大，Q因子呈现指数衰减趋势，与理论预测相符。
光学性能分析
偏振无关特性：由于TM1和TM2模式的简并性，q-BIC谐振频率受简并模式整体约束。任何偏振方向的入射光都可以分解为x和y偏振分量的线性组合，由于这两个偏振模式具有相同的谐振频率，因此能够激发出相同频率的q-BIC共振。实验测量显示，在0°到90°的线性偏振角度变化范围内，以及左旋和右旋圆偏振光激发下，反射光谱保持高度一致，验证了器件的偏振无关特性。
角度不敏感特性：能带折叠过程引入了平带特性，使光子群速度接近零。这种平带效应显著增强了q-BIC对入射角变化的鲁棒性。实验结果表明，在0°到15°的入射角度范围内，谐振波长和线宽保持稳定。
多极子分析：通过多极子分解发现，q-BIC共振主要由电四极子主导，电偶极子和磁偶极子的贡献可以忽略不计。这种高阶多极子特性使得q-BIC模式对偏振状态相对不敏感，同时减少了近场损耗，有助于提高Q因子。
光学性能分析
本研究成功实现了一种基于简并保护机制的偏振和角度双不敏感q-BIC器件。通过四原子超晶格设计和布里渊区折叠，实现了模式的简并和平带特性。实验结果表明，该器件在保持高Q因子的同时，对偏振状态和入射角度变化表现出优异的鲁棒性。
该研究成功实现了极高Q因子的无偏振、角度无关的准BIC，为光子学、传感器技术等领域提供了一个全新的设计平台，推动了准BIC在集成光学系统中的发展。不仅适用于高灵敏度的折射率传感器，还能为芯片级的微光谱仪、无偏振光学滤波器等提供可靠的解决方案。特别是在环境监测、生物传感等领域，具有极高的潜力。
