OEA | 当光在纳米尺度被“困住”：BIC赋能光电子未来【新加坡A*STAR滕京华教授团队】

光，正悄然重塑我们的日常生活——从手机摄像头、医用传感器，到新兴量子技术器件，都离不开对光的精准操控。但要让这些设备更小、更轻、更省电，传统光学已逼近极限。一种颇具前景的解决方案源自超表面（metasurface）——这是一种在平坦且兼容芯片的平台上，通过纳米结构（即“超原子”）图案化而成的超薄层，能够对光实施前所未有的操控。当超表面与光电子平台集成时，便催生了所谓的“超器件”（metadevice），为片上光控开辟了全新途径。对于众多应用而言，将光“困住”以增强其与活性介质的相互作用，是一项关键诉求。这正是“连续谱中的光子束缚态”（BIC）大显身手之处。

不同于依赖光在两面反射镜间来回反弹的传统光学腔，BIC 利用光波之间的相消干涉来“困住”光线。这一机制使得光能够被限制在如 BIC 超表面这样的开放系统中。理论上，正如其名所示，BIC 是一种被束缚、不衰减且非辐射的状态，可无限期地“困住”光线；尽管实际局限不可避免地会导致部分泄漏，但这些“准 BIC"仍保有极强的光束缚能力，使其跻身当今最具前景的光学谐振器之列。

新加坡A*STAR滕京华教授团队综述了连续谱中的光子束缚态（BIC）的发展历程与未来走向，以“Emerging landscape of photonic bound states in the continuum for next-generation metadevices”为题发表在Opto-Electronic Advances 2026年第3期。自 2017 年首个基于 BIC 腔的激光器问世以来，该领域迅猛发展。这一势头源于学界日益清晰的认知：BIC 不仅是 1929 年冯·诺依曼（von Neuman）与维格纳（Wigner）作为薛定谔方程数学解首次提出的科学发现，更是构建光学器件的强大平台。作者引领读者梳理 BIC 的物理基石，并提供了一份材料库，旨在支持从深紫外、可见光、红外到太赫兹及微波波段的全频谱 BIC 设计。文章同时强调了一种设计策略上的重大转变：随着对更复杂功能需求的增长，高度对称的纳米结构已难以为继，使得设计挑战愈发严峻。在此背景下，基于机器学习工具的逆向设计方法应运而生，它能够构建自由形态几何结构，从而在切实可行的时间框架内，对大量相互耦合的参数进行高效优化。

BIC 的另一显著特征在于其内在的拓扑性质，这使得这些状态能够以受控方式发生分裂或合并。这种可调谐性催生了一系列非凡的光子态，如超 BIC、手性 BIC 和平带 BIC，以及诸如 BIC 极化激元凝聚、超快光开关和异常点等新兴物理现象。这些进展直接转化为实际机遇，对激光、传感、非线性光学、波前整形及成像等领域的应用具有立竿见影的意义。

展望未来，该综述揭示了令人振奋的发展前景。后续研究或许会涉及堆叠多层纳米结构以构建更复杂的光学响应，开发超越平面超表面的三维制造技术，或将 BIC 与量子发射器耦合，从而在最基础的层面上实现对光的操控。与此同时，一项重大的挑战与机遇并存：如何将这些精密的结构从实验室演示推向可靠的大规模工业化生产。如获成功，此类进展有望催生出一类新型紧凑且节能的光子元件。BIC 起初只是一个引人好奇的理论构想，如今正演变为一条实用原则，确立了其作为下一代光基技术关键赋能者的地位。