Inverse Design of Metamaterial Bound States in the Continuum Device via Coupled Mode Theory

作者：黄巍 （沙巴足球（中国）股份有限公司官网光电工程学院）

导读

 近日，沙巴足球（中国）股份有限公司官网太赫兹中心提出了一种基于谐振频率和透射谱准BIC点频率的超材料BIC器件逆向设计新方案。该方法利用耦合模理论（CMT）和惠更斯原理研究了理论模型中谐振频率和准BIC频率之间的关系，并通过仿真与实验证实了由此可以实现利用所需的谐振频率和准BIC频率来获得相应超材料BIC器件。此外该方法对基于两种超材料结构的BIC器件是通用的，与特定结构无关。相关研究成果以“Inverse Design of Metamaterial Bound States in the Continuum Device via Coupled Mode Theory”为题发表在微波领域旗舰期刊中科院一区top《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊上（DOI: 10.1109/TMTT.2023.3305155）。

研究背景

近年来，超材料中的连续体束缚态（BIC）因其可以最大限度地减少因相消干涉而导致的超材料辐射损失以及超材料BIC器件在透射或反射光谱中高Q的谐振，使其在太赫兹（THz）功能器件和传感领域得到了广泛的应用。其中准BIC的逆向设计是一个重要的研究方向，目的是基于从透射谱中提取的信息来设计超材料结构。然而，由于准BIC的强耦合性和极高的非线性，超材料结构的几何参数与透射谱之间的关系并不清晰，这给逆向设计带来了巨大的困难。传统的逆向设计方法主要依赖于来自经验的广泛参数扫描，且忽视了结构之间的相互作用。最近机器学习在超材料逆向设计方面也取得了重大进展，这种方式具有传统设计所缺乏的灵活性。然而值得强调的是，深度学习或机器学习方法需要大量扫描超材料几何参数的训练数据库，并且其最大问题是将逆向设计视为隐藏物理过程的黑盒问题，不利于我们对于准BIC物理含义的理解。最重要的是，当我们改变超材料的结构时，机器学习技术需要对新的训练数据进行重新训练，换句话说机器学习方法并不普遍适用。

研究亮点

在本文中，我们提出了基于耦合模式理论（CMT）的逆向设计，利用解析解和非常小的一组几何参数扫描来得到所需准BIC器件。重要的是我们的逆向设计是适用于各种超材料结构的通用方法。

该逆向设计方法分为两步：第一步根据我们的分析计算可以得出超材料BIC器件的谐振频率是由超材料的基本结构所决定的，只需打破其对称性稍微修改基本结构来构建另一种结构以获得准BIC；第二步通过两个结构之间的耦合强度来逆向设计两个超材料结构之间的距离。准BIC峰值来自两个超材料结构之间的耦合，因此耦合强度等于谐振频率与准BIC频率之间的频率差，其与两个结构之间的距离密切相关；最后我们根据共振频率和准BIC频率获得了两个结构的几何参数以及两个结构之间的距离完成了逆向设计的过程。我们通过CST仿真以及太赫兹时域系统（THz TDS）实验证明了我们逆向设计方法的有效性。

总结与展望

在本文中，我们首次通过将耦合模理论得到的透射谱减去惠更斯原理下无耦合情况的透射谱来获得准BIC峰的方程，并得出准BIC器件的谐振频率是由其基本结构决定的，而谐振频率与准BIC频率之间的频率差恰好等于其耦合强度的结论。基于这些理论计算，我们提出并通过实验验证了一种使用解析解的逆向设计方法，不需要对超材料的几何参数进行广泛的扫描，并且可以普遍应用于各种超材料结构。这为超表面准BIC器件的逆向设计提供了可行的新方案，其不仅有助于我们对超表面耦合机理的深入认识，而且有助于推动超材料BIC器件在太赫兹功能器件和传感等领域的应用。

以上研究成果由黄巍博士为第一作者，银珊博士、韩家广教授为共同通信作者。光电工程学院曹诗婷研究生、材料工程学院曲笑玮、光电工程学院张文涛教授亦为共同作者。以上成果受到了国家自然科学基金，广西海外百人，广西特聘专家、广西八桂学者等项目支持。