Herein, we realize quasi-bound states in the continuum (quasi-BICs) in a compound grating waveguide structure with a complex lattice. The first layer of the structure is a grating layer composed of two dielectric ridges with different heights and the same width, while the second layer of the structure is a dielectric waveguide layer supporting the guided mode. As the height difference in two dielectric ridges changes from a non-zero value to zero, the lattice of the structure turns from a complex lattice with the period Λ to a simple lattice with the half of the previous period Λ=Λ/2. Therefore, the previous excitable odd-order resonant guided modes cannot be excited and become BICs. Assisted by the ultra-high Q factor of the quasi-BIC, we achieve high-performance refractive-index sensing at near-infrared wavelengths. Under the proper design, the optimum sensitivity and figure of merit (FoM) reach 676.8 nm/RIU and 9543 RIU−1, respectively. Compared with the reported refractive-index sensors based on surface plasmon polaritons, localized surface plasmon resonances, and Bloch surface waves, the optimum sensitivity achieved in this work reaches the same order of magnitude, while the optimum FoM achieved in this work is one or two orders of magnitude higher. Our work reveals that quasi-BICs would become a powerful competitive mechanism to achieve high-performance refractive-index sensing.

1.
T.
Weiss
,
M.
Mesch
,
M.
Schäferling
,
H.
Giessen
,
W.
Langbein
, and
E. A.
Muljarov
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
237401
(
2016
).
2.
H.
Lu
,
M.
Huang
,
X.
Kang
,
W.
Liu
,
C.
Dong
,
J.
Zhang
,
S.
Xia
, and
X.
Zhang
,
Appl. Phys. Express
11
,
082202
(
2018
).
3.
Y.
Xu
,
L.
Wu
, and
L. K.
Ang
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
024029
(
2019
).
4.
S.
Pevec
and
D.
Donlagic
,
Opt. Express
26
,
23868
(
2018
).
5.
K.
Khaliji
,
S. R.
Biswas
,
H.
Hu
,
X.
Yang
,
Q.
Dai
,
S. H.
Oh
,
P.
Avouris
, and
T.
Low
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
011002
(
2020
).
6.
S. J.
Qiu
,
Y.
Chen
,
F.
Xu
, and
Y. Q.
Lu
,
Opt. Lett.
37
,
863
865
(
2012
).
7.
V.
Kavungal
,
G.
Farrell
,
Q.
Wu
,
A. K.
Mallik
, and
Y.
Semenova
,
Opt. Express
26
,
8431
8442
(
2018
).
8.
X.
Wang
,
M.
Sang
,
W.
Yuan
,
Y.
Nie
, and
H.
Luo
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
28
,
264
267
(
2016
).
9.
H.
Tazawa
,
T.
Kanie
, and
M.
Katayama
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
113901
(
2007
).
10.
D. K. C.
Wu
,
B. T.
Kuhlmey
, and
B. J.
Eggleton
,
Opt. Lett.
34
,
322
324
(
2009
).
11.
Y.
Li
,
T.
Yang
,
S.
Song
,
Z.
Pang
,
G.
Du
, and
S.
Han
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
041116
(
2013
).
12.
J.
Li
,
R.
Yu
,
C.
Ding
, and
Y.
Wu
,
Phys. Rev. A
93
,
023814
(
2016
).
13.
Y.
Zhang
,
W.
Liu
,
Z.
Li
,
Z.
Li
,
H.
Cheng
,
S.
Chen
, and
J.
Tian
,
Opt. Lett.
43
,
1842
1845
(
2018
).
14.
B.
Liu
,
S.
Chen
,
J.
Zhang
,
X.
Yao
,
J.
Zhong
,
H.
Lin
,
T.
Huang
,
Z.
Yang
,
J.
Zhu
,
S.
Liu
,
C.
Lienau
,
L.
Wang
, and
B.
Ren
,
Adv. Mater.
30
,
1706031
(
2018
).
15.
B. F.
Wan
,
Z. W.
Zhou
,
Y.
Xu
, and
H. F.
Zhang
,
IEEE Sensors J.
21
,
331
338
(
2021
).
16.
A. S.
Kostyukov
,
A. E.
Ershov
,
R. G.
Bikbaev
,
V. S.
Gerasimov
,
I. L.
Rasskazov
,
S. V.
Karpov
, and
S. P.
Polyutov
,
J. Opt. Soc. Am. B
38
,
C78
C83
(
2021
).
17.
M.
Gryga
,
D.
Ciprian
,
L.
Gembalova
, and
P.
Hlubina
,
Opt. Express
29
,
12996
13010
(
2021
).
18.
J. G.
Rivas
,
M.
Kuttge
,
P. H.
Bolivar
,
H.
Kurz
, and
J. A.
Sánchez-Gil
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
256804
(
2004
).
19.
M.
Piliarik
and
J.
Homola
,
Opt. Express
17
,
16505
16517
(
2009
).
20.
J.
Zhang
,
L.
Zhang
, and
W.
Xu
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
45
,
113001
(
2012
).
21.
J.
Parsons
,
E.
Hendry
,
C. P.
Burrows
,
B.
Auguié
,
J. R.
Sambles
, and
W. L.
Barnes
,
Phys. Rev. B
79
,
073412
(
2009
).
22.
K. M.
Mayer
and
J. H.
Hafner
,
Chem. Rev.
111
,
3828
3857
(
2011
).
23.
J.
Henzie
,
M. H.
Lee
, and
T. W.
Odom
,
Nat. Nanotechnol.
2
,
549
554
(
2007
).
24.
M.
Chamanzar
,
M.
Soltani
,
B.
Momeni
,
S.
Yegnanarayanan
, and
A.
Adibi
,
Appl. Phys. B
101
,
263
271
(
2010
).
25.
S.
Joseph
,
S.
Sarkar
, and
J.
Joseph
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
46519
46529
(
2020
).
26.
J.
Becker
,
A.
Trügler
,
A.
Jakab
,
U.
Hohenester
, and
C.
Sönnichsen
,
Plasmonics
5
,
161
167
(
2010
).
27.
W.
Li
,
X.
Jiang
,
J.
Xue
,
Z.
Zhou
, and
J.
Zhou
,
Biosens. Bioelectron.
68
,
468
474
(
2015
).
28.
L.
Shi
,
J.
Shang
,
Z.
Liu
,
Y.
Li
,
G.
Fu
,
X.
Liu
,
P.
Pan
,
H.
Luo
, and
G.
Liu
,
Nanotechnology
31
,
465501
(
2020
).
29.
H.
Zhang
,
T.
Wang
,
J.
Tian
,
J.
Sun
,
S.
Li
,
I.
De Leon
,
R. P.
Zaccaria
,
L.
Peng
,
F.
Gao
,
X.
Lin
,
H.
Chen
, and
G.
Wang
,
Nanophotonics
11
,
297
304
(
2022
).
30.
P. B.
Johnson
and
R. W.
Christy
,
Phys. Rev. B
6
,
4370
4379
(
1972
).
31.
A. A.
Yanik
,
A. E.
Cetin
,
M.
Huang
,
A.
Artar
,
S. H.
Mousavi
,
A.
Khanikaev
,
J. H.
Connor
,
G.
Shvets
, and
H.
Altug
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
11784
11789
(
2011
).
32.
W.
Zhu
,
T.
Xu
,
H.
Wang
,
C.
Zhang
,
P. B.
Deotare
,
A.
Agrawal
, and
H. J.
Lezec
,
Sci. Adv.
3
,
e1700909
(
2017
).
33.
C. W.
Hsu
,
B.
Zhen
,
A. D.
Stone
,
J. D.
Joannopoulos
, and
M.
Soljačić
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16048
(
2016
).
34.
K.
Koshelev
,
A.
Bogdanov
, and
Y.
Kivshar
,
Sci. Bull.
64
,
836
842
(
2019
).
35.
A. F.
Sadreev
,
Rep. Prog. Phys.
84
,
055901
(
2021
).
36.
S.
Joseph
,
S.
Pandey
,
S.
Sarkar
, and
J.
Joseph
,
Nanophotonics
10
,
4175
4207
(
2021
).
37.
E. N.
Bulgakov
and
A. F.
Sadreev
,
Phys. Rev. B
78
,
075105
(
2008
).
38.
Y.
Plotnik
,
O.
Peleg
,
F.
Dreisow
,
M.
Heinrich
,
S.
Nolte
,
A.
Szameit
, and
M.
Segev
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
183901
(
2011
).
39.
C. W.
Hsu
,
B.
Zhen
,
J.
Lee
,
S. L.
Chua
,
S. G.
Johnson
,
J. D.
Joannopoulos
, and
M.
Soljačić
,
Nature
499
,
188
191
(
2013
).
40.
S. D.
Krasikov
,
A. A.
Bogdanov
, and
I. V.
Iorsh
,
Phys. Rev. B
97
,
224309
(
2018
).
41.
J.
Xin
,
X.
Yin
,
L.
Ni
,
M.
Soljačić
,
B.
Zhen
,
C.
Peng
, and
J.
Jin
,
Nature
574
,
501
504
(
2019
).
42.
B.
Wang
,
W.
Liu
,
M.
Zhao
,
J.
Wang
,
Y.
Zhang
,
A.
Chen
,
F.
Guan
,
X.
Liu
,
L.
Shi
, and
J.
Zi
,
Nat. Photonics
14
,
623
628
(
2020
).
43.
A. I.
Ovcharenko
,
C.
Blanchard
,
J. P.
Hugonin
, and
C.
Sauvan
,
Phys. Rev. B
101
,
155303
(
2020
).
44.
Q.
Song
,
J.
Hu
,
S.
Dai
,
C.
Zheng
,
D.
Han
,
J.
Zi
,
Z. Q.
Zhang
, and
C. T.
Chan
,
Sci. Adv.
6
,
eabc1160
(
2020
).
45.
P. S.
Pankin
,
B.-R.
Wu
,
J.-H.
Yang
,
K.-P.
Chen
,
I. V.
Timofeev
, and
A. F.
Sadreev
,
Commun. Phys.
3
,
91
(
2020
).
46.
R. G.
Bikbaev
,
D. N.
Maksimov
,
P. S.
Pankin
,
K. P.
Chen
, and
I. V.
Timofeev
,
Opt. Express
29
,
4672
4680
(
2021
).
47.
K.
Koshelev
,
S.
Lepeshov
,
M.
Liu
,
A.
Bogdanov
, and
Y.
Kivshar
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
193903
(
2018
).
48.
Y.
He
,
G.
Guo
,
T.
Feng
,
Y.
Xu
, and
A. E.
Miroshnichenko
,
Phys. Rev. B
98
,
161112(R)
(
2018
).
49.
A. S.
Kupriianov
,
Y.
Xu
,
A.
Sayanskiy
,
V.
Dmitriev
,
Y. S.
Kivshar
, and
V. R.
Tuz
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
014024
(
2019
).
50.
Z.
Zheng
,
Y.
Zhu
,
J.
Duan
,
M.
Qin
,
F.
Wu
, and
S.
Xiao
,
Opt. Express
29
,
29541
29549
(
2021
).
51.
D.
Liu
,
X.
Yu
,
F.
Wu
,
S.
Xiao
,
F.
Itoigawa
, and
S.
Ono
,
Opt. Express
29
,
24779
24791
(
2021
).
52.
Y.
Cai
,
Y.
Huang
,
K.
Zhu
, and
H.
Wu
,
Opt. Lett.
46
,
4049
4052
(
2021
).
53.
S.
Xiao
,
M.
Qin
,
J.
Duan
,
F.
Wu
, and
T.
Liu
,
Phys. Rev. B
105
,
195440
(
2022
).
54.
Z. F.
Sadrieva
,
I. S.
Sinev
,
K. L.
Koshelev
,
A.
Samusev
,
I. V.
Iorsh
,
O.
Takayama
,
R.
Malureanu
,
A. A.
Bogdanov
, and
A. V.
Lavrinenko
,
ACS Photonics
4
,
723
727
(
2017
).
55.
H. M.
Doeleman
,
F.
Monticone
,
W.
den Hollander
,
A.
Alù
, and
A. F.
Koenderink
,
Nat. Photonics
12
,
397
401
(
2018
).
56.
E. N.
Bulgakov
,
D. N.
Maksimov
,
P. N.
Semina
, and
S. A.
Skorobogatov
,
J. Opt. Soc. Am. B
35
,
1218
1222
(
2018
).
57.
H.
Hemmati
and
R.
Magnusson
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
1900754
(
2019
).
58.
D. N.
Maksimov
,
V. S.
Gerasimov
,
S.
Romano
, and
S. P.
Polyutov
,
Opt. Express
28
,
38907
38916
(
2020
).
59.
I. A. M.
Al-Ani
,
K.
As’Ham
,
L.
Huang
,
A. E.
Miroshnichenko
, and
H. T.
Hattori
,
Laser Photonics Rev.
15
,
2100240
(
2021
).
60.
W.
Shi
,
J.
Gu
,
X.
Zhang
,
Q.
Xu
,
J.
Han
,
Q.
Yang
,
L.
Cong
, and
W.
Zhang
,
Photonics Res.
10
,
810
819
(
2022
).
61.
F.
Wu
,
C.
Fan
,
K.
Zhu
,
J.
Wu
,
X.
Qi
,
Y.
Sun
,
S.
Xiao
,
H.
Jiang
, and
H.
Chen
,
Phys. Rev. B
105
,
245417
(
2022
).
62.
Z. F.
Sadrieva
,
M. A.
Belyakov
,
M. A.
Balezin
,
P. V.
Kapitanova
,
E. A.
Nenasheva
,
A. F.
Sadreev
, and
A. A.
Bogdanov
,
Phys. Rev. A
99
,
053804
(
2019
).
63.
M. S.
Sidorenko
,
O. N.
Sergaeva
,
Z. F.
Sadrieva
,
C.
Roques-Carmes
,
P. S.
Muraev
,
D. N.
Maksimov
, and
A. A.
Bogdanov
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
034041
(
2021
).
64.
Y. K.
Srivastava
,
R. T.
Ako
,
M.
Gupta
,
M.
Bhaskaran
,
S.
Sriram
, and
R.
Singh
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
151105
(
2019
).
65.
S.
Romano
,
G.
Zito
,
S.
Torino
,
G.
Calafiore
,
E.
Penzo
,
G.
Coppola
,
S.
Cabrini
,
I.
Rendina
, and
V.
Mocella
,
Photonics Res.
6
,
726
733
(
2018
).
66.
Y.
Wang
,
M. A.
Ali
,
E. K. C.
Chow
,
L.
Dong
, and
M.
Lu
,
Biosen. Bioelectron.
107
,
224
229
(
2018
).
67.
S.
Romano
,
G.
Zito
,
S. N.
Lara Yépez
,
S.
Cabrini
,
E.
Penzo
,
G.
Coppola
,
I.
Rendina
, and
V.
Mocellaark
,
Opt. Express
27
,
18776
18786
(
2019
).
68.
T. C.
Tan
,
Y. K.
Srivastava
,
R. T.
Ako
,
W.
Wang
,
M.
Bhaskaran
,
S.
Sriram
,
I.
Al-Naib
,
E.
Plum
, and
R.
Singh
,
Adv. Mater.
33
,
2100836
(
2021
).
69.
J.
Wang
,
J.
Kühne
,
T.
Karamanos
,
C.
Rockstuhl
,
S. A.
Maier
, and
A.
Tittl
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2104652
(
2021
).
70.
Z.
Li
,
Y.
Xiang
,
S.
Xu
, and
X.
Dai
,
J. Opt. Soc. Am. B
39
,
286
291
(
2022
).
71.
T.
Sang
,
S. A.
Dereshgi
,
W.
Hadibrata
,
I.
Tanriover
, and
K.
Aydin
,
Nanomaterials
11
,
484
(
2021
).
72.
D. N.
Maksimov
,
V. S.
Gerasimov
,
A. A.
Bogdanov
, and
S. P.
Polyutov
,
Phys. Rev. A
105
,
033518
(
2022
).
73.
K. L.
Lee
,
P. W.
Chen
,
S. H.
Wu
,
J. B.
Huang
,
S. Y.
Yang
, and
P. K.
Wei
,
ACS Nano
6
,
2931
2939
(
2012
).
74.
S.
Jia
,
Z.
Li
, and
J.
Chen
,
Opt. Express
29
,
21358
21368
(
2021
).
75.
M. F.
Al-Kuhaili
,
Opt. Mater.
27
,
383
387
(
2004
).
76.
E.
Palik
,
Handbook of Optical Constants of Solids
(
Academic
,
New York
,
1998
).
77.
Z. S.
Liu
,
S.
Tibuleac
,
D.
Shin
,
P. P.
Young
, and
R.
Magnusson
,
Opt. Lett.
23
,
1556
1558
(
1998
).
78.
G.
D’Aguanno
,
D.
de Ceglia
,
N.
Mattiucci
, and
M. J.
Bloemer
,
Opt. Lett.
36
,
1984
1986
(
2011
).
79.
T.
Sang
,
S.
Cai
, and
Z.
Wang
,
J. Mod. Opt.
58
,
1260
1268
(
2011
).
80.
M. G.
Moharam
,
D. A.
Pommet
,
E. B.
Grann
, and
T. K.
Gaylord
,
J. Opt. Soc. Am. A
12
,
1077
1086
(
1995
).
81.
Z.
Wang
,
T.
Sang
,
L.
Wang
,
J.
Zhu
,
Y.
Wu
, and
L.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
251115
(
2006
).
82.
A.
Yariv
and
P.
Yeh
,
Optical Waves in Crystals
(
Wiley
,
New York
,
1984
).
83.
W.
Liu
,
Y.
Li
,
H.
Jiang
,
Z.
Lai
, and
H.
Chen
,
Opt. Lett.
38
,
163
165
(
2013
).
You do not currently have access to this content.