近日，中山大学微电子科学与技术学院徐政基副教授带领团队在《Optics Letters》发表了题为“Passive Non-reciprocal Metasurfaces Based on Independently Tunable Nonlinear Dual Bound States in the Continuum”的研究成果，文章第一作者为2024级研究生范烨，通讯作者为徐政基副教授。

光的非互易性是指光在介质中向前和向后传播的特性不同的现象。考虑到麦克斯韦方程组的线性性质，由这些方程导出的洛伦兹互易定理表明，在正常情况下，光场表现出互易性。当两组源的位置互换时，虽然产生的具体电磁场会发生变化，但源与场之间的相互作用不变，场之间的相互作用也不变。因此，实现非互易的挑战在于打破洛伦兹互易定理。

打破洛伦兹互易定理的一种方法是利用光学非线性效应。在强光场中，材料的非线性响应会引起折射率的显著变化，可用于设计在特定光强或特定波长下具有非互易效应的光学器件。引入高品质因子光学谐振以增强材料的非线性效应，可以实现非互易且降低所需的光强。然而，目前的研究仅限于较窄的单波长范围，阻碍了多波长通信的应用。

本研究提出一种双非对称周期光栅结构的超表面，基于其产生的对称保护的双连续域束缚态（Bound States in the Continuum, BIC），来实现在两个波长附近的非互易传输和光学双稳态。本研究同时引入了面内和面外不对称性。面内不对称性用来调节准BIC的辐射线宽，面外不对称性使入射平面波在正反两个方向与超表面产生不对称耦合。此外，还说明了器件的最小插入损耗和非互易强度范围之间存在的限制和所允许的界限，并解释了如何接近和达到这种界限。该研究拓展了非互易器件的应用领域，为非互易器件的设计提供了一种新方法。

图1 超表面的结构和线性条件下的谐振特性

超表面的结构和线性条件下的谐振特性如图1所示。观察到两个BIC模式，对应电场分别被束缚在空气间隙和光栅条所对应的夹层锗膜中。这两个BIC分别是由空气间隙和光栅条的对称性造成的，通过调整空气间隙和光栅条的宽度，破坏对称性，可以独立地操纵两个准BIC模式。

图2 Kerr效应影响下超表面的非互易特性

如图2所示，对Kerr效应影响下超表面的非互易特性进行研究。锗材料在z方向上的不对称使得两个端口分别激发产生不对称响应，导致在一定强度范围内，两个方向上的透射传输是非互易的。通过对不同厚度的锗进行仿真，结合理论分析，得到非互易强度范围和最大前向透过率之间的限制。

图3 面外不对称性导致的对于两个方向激发产生不同程度的共振频率的偏移，和在所限制边界处的非互易传输

如图3所示，对非互易传输的限制边界进行了研究。通过调整入射强度，使得前向传输透射峰的最大值和后向传输透射峰的最小值在同一波长处对齐，此时对应的波长处对应这一结构下最大前向透过率和非互易强度范围关系的不等式边界。

图4 超表面的光学双稳态

如图4所示，对非线性导致的光学双稳态进行了分析。在两个非互易波长分别进行入射功率增加和入射功率减小扫描，获得强度相关透射率。由于三阶非线性存在，光强变化时会存在正反馈机制，对于同一个入射强度，系统存在两个稳定的状态。

本工作通过创新性的超表面结构设计，实现了基于连续域束缚态的双波长非互易传输，不仅推动了光学非互易机制的基础研究，也彰显了超构表面在电磁信息传输与控制领域的重要潜力。该技术在保护高功率激光器、为模拟计算引导非互易信号方面具有重要的应用价值，为现代激光与通信系统的小型化、集成化发展提供了有力支撑。