Recent progress in nanoscale optical physics is associated with the development of a new branch of nanophotonics exploring strong Mie resonances in dielectric nanoparticles with a high refractive index. The high-index resonant dielectric nanostructures form building blocks for novel photonic metadevices with low losses and advanced functionalities. However, unlike extensively studied cavities in photonic crystals, such dielectric resonators demonstrate low quality factors (Q factors). Here, we uncover a novel mechanism for achieving giant Q factors of subwavelength nanoscale resonators by realizing the regime of bound states in the continuum. In contrast to the previously suggested multilayer structures with zero permittivity, we reveal strong mode coupling and Fano resonances in homogeneous high-index dielectric finite-length nanorods resulting in high-Q factors at the nanoscale. Thus, high-index dielectric resonators represent the simplest example of nanophotonic supercavities, expanding substantially the range of applications of all-dielectric resonant nanophotonics and meta-optics.

The study of resonant dielectric nanostructures with high refractive index is a new research direction in nanoscale optics and metamaterial-inspired nanophotonics. Because of the unique optically-induced electric and magnetic Mie resonances, high-index nanoscale structures are expected to complement or even replace different plasmonic components in a range of potential applications. Here we study strong coupling between modes of a single subwavelength high-index dielectric resonator and analyse the mode transformation and Fano resonances when resonator's aspect ratio varies. We demonstrate that strong mode coupling results in resonances with high quality factors, which are related to the physics of bound states in the continuum when the radiative losses are almost suppressed due to the Friedrich-Wintgen scenario of destructive interference. We explain the physics of these states in terms of multipole decomposition and show that their appearance is accompanied by drastic change of the far-field radiation pattern. We reveal a fundamental link between the formation of the high-quality resonances and peculiarities of the Fano parameter in the scattering cross-section spectra. Our theoretical findings are confirmed by microwave experiments for the scattering of a high-index cylindrical resonators with a tunable aspect ratio. The proposed mechanism of the strong mode coupling in single subwavelength high-index resonators accompanied by resonances with high quality factor helps to extend substantially functionalities of all-dielectric nanophotonics that opens new horizons for active and passive nanoscale metadevices.

Optical bound states in the continuum (BIC) are localized states with energy lying above the light line and having infinite lifetime. Any losses taking place in real systems result in transformation of the bound states into resonant states with finite lifetime. In this Letter, we analyze properties of BIC in CMOS-compatible one-dimensional photonic structure based on silicon-on-insulator wafer at telecommunication wavelengths, where the absorption of silicon is negligible. We reveal that a high-index substrate could destroy both off-Γ BIC and in-plane symmetry protected at-Γ BIC turning them into resonant states due to leakage into the diffraction channels opening in the substrate. We show how two concurrent loss mechanisms, scattering due to surface roughness and leakage into substrate, contribute to the suppression of the resonance lifetime and specify the condition when one of the mechanisms becomes dominant. The obtained results provide useful guidelines for practical implementations of structures supporting optical bound states in the continuum.

Metasurfaces based on resonant subwavelength photonic structures enable novel ways of wavefront control and light focusing, underpinning a new generation of flat-optics devices. Recently emerged all-dielectric metasurfaces exhibit high-quality resonances underpinned by the physics of bound states in the continuum that drives many interesting concepts in photonics. Here we suggest a novel approach to explain the physics of bound photonic states embedded into the radiation continuum. We study dielectric metasurfaces composed of planar periodic arrays of Mie-resonant nanoparticles ("meta-atoms") which support both symmetry protected and accidental bound states in the continuum and employ the multipole decomposition approach to reveal the physical mechanism of the formation of such nonradiating states in terms of multipolar modes generated by isolated meta-atoms. Based on the symmetry of the vector spherical harmonics, we identify the conditions for the existence of bound states in the continuum originating from the symmetries of both the lattice and the unit cell. Using this formalism we predict that metasurfaces with strongly suppressed spatial dispersion can support the bound states in the continuum with the wavevectors forming a line in the reciprocal space. Our results provide a new way of designing high-quality resonant photonic systems based on the physics of bound states in the continuum.

Abstract The control of light through all‐optical means is a fundamental challenge in nanophotonics and a key effect in optical switching and logic. The optical bistability effect enables this control and can be observed in various planar photonic systems such as microdisk and photonic crystal cavities and waveguides. However, the recent advancements in flat optics with wavelength‐thin optical elements require nonlinear elements based on metastructures and metasurfaces. The performance of these systems can be enhanced with high‐Q bound states in the continuum (BIC), which leads to intense harmonic generation, improved light‐matter coupling, and pushes forward sensing limits. This study reports enhanced thermo‐optical nonlinearity and the observation of optical bistability in an all‐dielectric metasurface membrane with BIC. Unlike many other nanophotonic platforms, metasurfaces allow for fine control of the quality factor of the BIC resonance by managing the radiative losses. This provides an opportunity to control the parameters of the observed hysteresis loop and even switch from bistability to optical discrimination by varying the angle of incidence. Additionally, this work proposes a mechanism of nonlinear critical coupling that establishes the conditions for maximal hysteresis width and minimal switching power, which has not been reported before. The study suggests that all‐dielectric metasurfaces supporting BICs can serve as a flat‐optics platform for optical switching and modulation based on strong thermo‐optical nonlinearity.