Meningkatkan Isolasi Optik On-Chip dengan Interaksi Spin-Orbit Paradoks Koin untuk Performa Magneto-Optik Unggul

Abstrak

Kami merancang isolator optik terintegrasi on-chip sederhana yang terdiri dari gelombang pengiring logam–isolator–logam dan cakram rongga yang diisi dengan material magneto-optik untuk meningkatkan efek magneto-optik melintasi melalui interaksi spin–orbit (SOI) paradoks koin. Hasil simulasi properti transmisi non-resiprok dari struktur optik ini menunjukkan bahwa isolator optik terintegrasi on-chip berkinerja tinggi diperoleh. Rasio isolasi maksimum lebih besar dari 60 dB dengan kerugian sisipan sekitar 2 dB. Performa unggul isolator optik ini diatribusikan pada efek magneto-optik melintasi yang kuat, yang ditingkatkan oleh SOI paradoks koin. Selain itu, peningkatan efek magneto-optik melintasi melalui SOI paradoks koin lebih signifikan untuk nomor modus azimutal n yang lebih kecil. Dengan demikian, efek magneto-optik melintasi tetap kuat dalam rentang panjang gelombang yang luas. Selain itu, rongga yang lebih kecil memiliki efek magneto-optik melintasi yang lebih kuat dalam rentang panjang gelombang yang sama. Penelitian kami memberikan perspektif baru untuk menciptakan perangkat magneto-optik yang terintegrasi tinggi.

Pendahuluan

Isolator optik berdasarkan transmisi non-resiprok adalah elemen fotonik kunci dalam telekomunikasi optik dan informasi optik. Untuk mencapai isolator optik yang lebih terintegrasi, banyak metode, seperti penggunaan efek magneto-optik [1,2,3,4,5], topologi [6], efek non-linear [7,8,9,10,11,12], dan pelanggaran simetri paritas-waktu [13,14,15], telah dikembangkan. Di antara mereka, efek magneto-optik masih menjadi topik hangat. Namun demikian, perangkat yang dibuat umumnya dalam skala besar [2, 16] karena efek magneto-optik sebagian besar lemah dalam kasus ini.

Polariton plasmon permukaan (SPP) dapat membatasi batas difraksi [17, 18] dan memiliki potensi luar biasa dalam optika terintegrasi [19,20,21], terutama setelah perbaikan masalah kerugian tinggi SPP [22]. SPP memiliki momentum spin melintasi (TSAM) [23,24,25], yang dapat menginduksi efek magneto-optik untuk mewujudkan transmisi non-resiprok yang mirip dengan momentum spin lintang (LSAM) cahaya [26,27,28]. Namun, sulit untuk meminimalkan isolator berdasarkan efek magneto-optik melintasi SPP karena efek magneto-optik yang lemah. Ada dua alasan kunci yang menghasilkan efek magneto-optik melintasi lemah SPP; satu adalah koefisien magneto-optik kecil dari material magneto-optik, dan yang lain adalah spin melintasi SPP tidak bulat, namun elips [26]. Saat ini, berbagai material magneto-optik dengan koefisien magneto-optik besar telah dibuat dan diterapkan ke isolator cahaya [4, 29,30,31,32]. Ini membawa harapan untuk menciptakan isolator optik miniatur dengan struktur plasmonik. Namun, di sisi lain, spin melintasi elips SPP masih menjadi hambatan untuk aplikasi efek magneto-optik melintasi. Penemuan metode baru untuk meningkatkan efek magneto-optik melintasi masih diinginkan.

Momentum spin dan orbital (SAM dan OAM) adalah dua komponen cahaya yang berbeda. Keduanya dapat saling berinteraksi secara efektif, yaitu melalui interaksi spin–orbit (SOI). Banyak efek optik penting dan berharga berdasarkan SOI cahaya telah ditemukan, termasuk efek spin Hall, efek spin Hall kuantum, topologi, dll. Paradoks koin adalah fenomena alam yang menarik, yang menunjukkan SOI yang khas, yaitu orbit mengeliling menyebabkan rotasi perubahan spin. Dengan demikian, SOI paradoks koin mungkin menjadi mekanisme fisika baru untuk mengatur efek magneto-optik melintasi SPP.

Penelitian ini melaporkan desain isolator optik terintegrasi on-chip sederhana yang terdiri dari gelombang pengiring logam–isolator–logam (MIM) dan cakram rongga yang diisi dengan material magneto-optik. Dalam struktur isolator optik ini, peningkatan efektif efek magneto-optik melintasi telah dikonfirmasi melalui SOI paradoks koin. Dengan manfaat dari peningkatan efek magneto-optik melintasi dalam struktur isolator optik, lembah resonansi maju dan mundur dalam spektrum transmisi terpisah sepenuhnya satu sama lain saat parameter magneto-optik $\varepsilon_{xy} \ge 0,04$. Isolator optik terintegrasi on-chip berkinerja tinggi diperoleh, untuk yang rasio isolasi maksimum (IR) lebih besar dari 60 dB dan kerugian sisipan (IL) yang sesuai sekitar 2 dB. Karena properti unik SOI paradoks koin dalam struktur isolator optik, peningkatan efek magneto-optik melintasi lebih signifikan untuk nomor modus azimutal n yang lebih kecil. Efek magneto-optik melintasi tetap kuat dalam rentang panjang gelombang yang luas. Selain itu, efek magneto-optik melintasi yang lebih besar muncul dalam cakram rongga yang lebih kecil, yang dapat secara efektif mengatasi perlebaran lembah resonansi yang diinduksi oleh rongga yang lebih kecil. Struktur efek magneto-optik melintasi yang kuat yang dikembangkan di sini memiliki potensi aplikasi besar dalam perangkat magneto-optik terintegrasi tinggi on-chip, isolator optik, saklar magneto-optik, sensor magnet, dll.

Metode

Gambar 1 menunjukkan ilustrasi skematis struktur isolator optik yang diusulkan yang terdiri dari gelombang pengiring MIM dan cakram rongga. Jari-jari (R) cakram rongga ditetapkan pada 540 nm, lebar gelombang pengiring MIM d ditetapkan pada 50 nm dan jarak antara cakram rongga dan gelombang pengiring MIM g ditetapkan pada 16,6 nm. Logam adalah perak, whose frequency-dependent complex relative permittivity is characterized by the Drude model:

$$\varepsilon_{m} (\omega ) = \varepsilon_{\infty } - \omega_{p}^{2} /\omega (\omega + i\gamma )$$ (1)

Meningkatkan Isolasi Optik On-Chip dengan Interaksi Spin-Orbit Paradoks Koin untuk Performa Magneto-Optik Unggul

Di sini, $\varepsilon_{\infty }$ adalah konstanta dielektrik pada frektivitas tak terbatas, γ adalah frekuensi tabrakan elektron, $\omega_{p}$ adalah frekuensi plasma massa, dan ω adalah frekuensi sudut cahaya insiden. Parameter yang dimasukkan ke dalam Eq. (1) adalah $\varepsilon_{\infty }$ = 3,7, $\omega_{p}$ = 9,1 eV, γ = 0,018 eV [33]. Untuk mengangsatkan SPPs, cahaya masukan diatur sebagai gelombang plane transverse magnetic (TM).

Cakram rongga dan gelombang pengiring MIM diisi dengan material magneto-optik, dan medan magnet statis transverse diterapkan. Efek medan magnet statis terhadap material magneto-optik sebagian besar tercermin dalam tensor dielektrik material. Untuk material magneto-optik anisotropik, medan magnet statis B dapat diterapkan pada arah z, di mana tensor dielektrik dapat diekspresikan sebagai:

$${{\varvec{\upvarepsilon}}} = \left( {\begin{array}{*{20}c} {\varepsilon_{xx} } & { - i\varepsilon_{xy} } & 0 \\ {i\varepsilon_{xy} } & {\varepsilon_{yy} } & 0 \\ 0 & 0 & {\varepsilon_{zz} } \\ \end{array} } \right)$$ (2)

Material magneto-optik diatur menjadi yttrium iron garnet dotasi bismut (Bi: YIG). Garnet termasuk struktur kristal kubik dan isotropik, sehingga elemen diagonal tensor dielektrik-nya identik, yaitu, $\varepsilon_{xx} = \varepsilon_{yy} = \varepsilon_{zz} = \varepsilon_{0} = n^{2}$. Konstanta dielektrik $\varepsilon_{0}$ elemen diagonal diatur ke 4,84, indeks biasias YIG tipikal di dekat panjang gelombang 1,5 μm [34]. Baru-baru ini, eksperimen telah membuktikan bahwa $\varepsilon_{xy}$ dapat lebih besar dari 0,3 [35] dan $\varepsilon_{xy}$ yang diprediksi secara teoretis [36] jauh lebih besar dari yang diperoleh oleh eksperimen. Dalam penelitian ini, nilai $\varepsilon_{xy}$ diatur dari 0 hingga 0,3. Peralatan ini dapat dibuat melalui pengerahan kimia bantu logam [37, 38] dan litografi sinar elektron (EBL).

Perangkat lunak komersial COMSOL Multiphysics digunakan untuk pembuatan model dan perhitungan simulasi berdasarkan metode elemen hingga (FEM). Untuk kemudahan penelitian, seluruh struktur dua dimensi. Vektor Pointing yang melewati S diintegrasikan di ujung masuk dan keluar untuk mendapatkan energi masuk $P_{\text{in}}$ dan energi keluar $P_{{{\text{out}}}}$, $P_{{{\text{in}}}} = \int {{\mathbf{S}}_{1} \bullet {\text{d}}{\varvec{s}}_{1} }$, $P_{{{\text{out}}}} = \int {{\mathbf{S}}_{2} \bullet {\text{d}}{\varvec{s}}_{2} }$ dan transmitansi $T = 10{*}\lg \left( {P_{{{\text{out}}}} /P_{{{\text{in}}}} } \right)$ dB. IL adalah laju transmisi mundur pada panjang gelombang isolasi maju dan dihitung menggunakan data transmitansi yang diperoleh dalam simulasi. Masukan cahaya diberikan dari kiri gelombang pengiring MIM, dan keluaran dari kanan disebut 'maju' dalam penelitian ini. Sebaliknya, masukan cahaya dari kanan gelombang pengiring MIM menghasilkan keluaran dari kiri, dan disebut 'mundur'.

Hasil dan Pembahasan

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, cakram rongga mendukung SOI paradoks koin yang menakjubkan. Sebagai contoh, untuk mode TM_(0,n), spin melintasi dan rotasi orbit SPP terletak pada arah yang sama. SPP berkeliling cakram rongga satu putaran, dan vektor listrik berputar n + 1 putaran. Orbit bulat menyebabkan putaran ekstra. Efek ini mirip dengan paradoks koin dan membentuk SOI unik. SOI paradoks koin lebih signifikan untuk n yang lebih kecil. Hasil simulasi mengonfirmasi bahwa SOI paradoks koin dapat meningkatkan efek magneto-optik melintasi secara efektif.

Gambar 2 menunjukkan spektrum transmisi struktur isolator optik untuk berbagai $\varepsilon_{xy}$. Untuk kasus $\varepsilon_{xy} = 0$, spektrum transmisi maju dan mundur tumpang tindih, spektrum transmisi ditunjukkan sebagai garis hitam padat. Garis merah padat menunjukkan spektrum transmisi untuk kasus $\varepsilon_{xy} = 0,3$ maju, garis merah titik untuk kasus $\varepsilon_{xy} = 0,3$ mundur. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, terdapat empat lembah transmisi menonjol dalam setiap spektrum transmisi. Untuk kasus $\varepsilon_{xy} = 0$, empat lembah transmisi terletak pada 1936,0 nm, 1550,2 nm, 1460,0 nm, dan 1302,5 nm, masing-masing. Untuk pemodelan elemen hingga dua dimensi, resonansi cakram rongga ditandai oleh dua bilangan bulat (m_i, n_i) yang menghitung antinode radial dan azimutal. Menurut distribusi intensitas komponen z dari medan magnet yang ditampilkan di inset, empat lembah transmisi yang diinduksi oleh mode resonansi adalah: TM_0,3, TM_0,4, TM_1,1 dan TM_0,5. Dalam penelitian ini, kami terutama memfokuskan pada efek magneto-optik melintasi SPP, dan oleh karena itu mode resonansi: TM_0,3, TM_0,4 dan TM_0,5 diteliti secara rinci.

Awalnya, performa isolasi struktur isolator optik dari mode resonansi TM_0,4 diteliti. Gambar 3a, b menunjukkan spektrum transmisi struktur isolator optik dari mode resonansi TM_0,4 dengan berbagai $\varepsilon_{xy}$. Tanpa medan magnet, lembah transmisi terletak pada sekitar 1550,2 nm. Saat diterapkan medan magnet, lembah transmisi mengalami pergeseran merah saat SPP bergerak maju dan pergeseran biru yang hampir simetris saat SPP bergerak mundur. Dengan demikian, pemisahan lembah resonansi maju dan mundur diamati. Seiring dengan peningkatan nilai parameter magneto-optik $\varepsilon_{xy}$, panjang gelombang bergeser dan pemisahan meningkat. Gambar 3c menunjukkan kurva pemisahan lembah resonansi maju dan mundur bervariasi dengan parameter magneto-optik $\varepsilon_{xy}$. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, pemisahan secara praktis positif berkaitan dengan parameter magneto-optik $\varepsilon_{xy}$. Gambar 3d menampilkan IR dan IL struktur isolator optik dari mode resonansi TM_0,4 untuk berbagai $\varepsilon_{xy}$. Seiring dengan peningkatan nilai $\varepsilon_{xy}$, baik IL maju maupun mundur menurun. Selain itu, ketika $\varepsilon_{xy} \ge 0,05$, IL semakin kecil sekitar 2 dB dan tetap stabil. Ini berarti bahwa lembah resonansi maju dan mundur terpisah sepenuhnya satu sama lain. IR maju dan mundur menunjukkan kurva perubahan yang berbeda saat $\varepsilon_{xy}$ meningkat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3d, kami mendapatkan IR maksimum lebih besar dari 60 dB dengan IL yang sesuai sekitar 2 dB. IR ditentukan oleh kedalaman lembah transmisi. Ini bergantung pada jarak kopling antara gelombang pengiring MIM dan cakram rongga. Oleh karena itu, IR dapat disesuaikan halus dengan mengubah jarak antara gelombang pengiring MIM dan cakram rongga, g. Hasil yang relevan menunjukkan bahwa efek magneto-optik yang besar ada dalam struktur isolator optik yang disajikan di sini, dan sebagai hasilnya, isolator optik terintegrasi on-chip berkinerja tinggi diperoleh.

Peningkatan efek magneto-optik melintasi oleh SOI paradoks koin akan lebih signifikan untuk nomor modus azimutal n yang lebih kecil. Hasil simulasi dapat digunakan untuk membuktikan hukum ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, untuk kasus TM_0,5, TM_0,4 dan TM_0,3, pemisahan $\Delta \lambda$ meningkat dengan penurunan nomor modus azimutal n. Untuk membandingkan secara akurat intensitas efek magneto-optik melintasi dari berbagai mode, grafik garis rasio $\Delta \lambda /\lambda$ yang bervariasi dengan $\varepsilon_{xy}$ untuk berbagai mode ditampilkan pada Gambar 4. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, untuk tiga mode yang berbeda, rasio $\Delta \lambda /\lambda$ hanya mengalami perubahan ringan. Selain itu, seperti yang ditunjukkan di inset, rasio $\Delta \lambda /\lambda$ TM_0,5 dan TM_0,4 hampir sama dan TM_0,3 adalah yang terbesar. Hasil simulasi ini bertentangan dengan teori yang dilaporkan di Ref. [26]. Untuk kasus TM_0,5, TM_0,4 dan TM_0,3, panjang gelombang resonansi meningkat dengan penurunan nomor modus azimutal n, yang jelas ditunjukkan pada Gambar 2. Seiring dengan peningkatan panjang gelombang, nilai mutlak permitivitas logam $\varepsilon_{M}$ meningkat dengan cepat, resulting in a decrease in $\beta_{SPP}$. Menurut teori di Ref. [26], efek magneto-optik melintasi diharapkan melemah, dan rasio $\Delta \lambda /\lambda$ menjadi lebih kecil. Oleh karena itu, hasil simulasi saat ini bertentangan dengan teori di Ref. [26]. Peningkatan efek magneto-optik melintasi oleh SOI paradoks koin dapat menyelesaikan kontradiksi ini antara hasil simulasi dan teori di Ref. [26]. Seperti yang disebutkan di atas, SOI paradoks koin lebih signifikan untuk nomor modus azimutal n yang lebih kecil. Dengan demikian, peningkatan efek magneto-optik melintasi oleh SOI paradoks koin dapat membatalkan atau bahkan melebihi penurunan yang diinduksi oleh peningkatan panjang gelombang. Selain itu, kesimpulan lain yang dapat ditarik adalah bahwa efek magneto-optik melintasi yang anormal besar yang disebutkan dalam penelitian ini disebabkan oleh SOI paradoks koin dan tetap kuat dalam rentang panjang gelombang yang besar.

Untuk nomor modus azimutal n yang lebih kecil, peningkatan efek magneto-optik melintasi oleh SOI paradoks koin lebih signifikan. Oleh karena itu, rongga yang lebih kecil akan memiliki efek magneto-optik melintasi yang lebih besar dalam rentang panjang gelombang yang sama, yaitu, pemisahan panjang gelombang yang lebih besar. Untuk mengonfirmasi kesimpulan ini, jari-jari cakram rongga R diatur ke nilai yang lebih kecil, 421 nm. Spektrum transmisi rongga yang lebih kecil R = 421 nm ditampilkan pada Gambar 5a, dan dibandingkan dengan rongga yang lebih besar R = 540 nm. Terlihat bahwa TM_0,3 untuk rongga yang lebih kecil R = 421 nm dan TM_0,4 untuk rongga yang lebih besar R = 540 nm keduanya terletak pada sekitar 1550 nm. Grafik garis lurus pemisahan panjang gelombang yang bervariasi dengan $\varepsilon_{xy}$ untuk berbagai jari-jari cakram rongga ditampilkan pada Gambar 5b. Jelas bahwa pemisahan panjang gelombang rongga yang lebih kecil lebih besar dari rongga yang lebih besar, yang sesuai dengan harapan kami. Selain itu, peningkatan efek magneto-optik melintasi oleh SOI paradoks koin dibuktikan kembali.

Diketahui bahwa dengan penurunan jari-jari cakram rongga, lebar setengah maksimum (FWHM) garis spektrum akan meningkat. FWHM yang lebih besar telah menjadi hambatan utama yang tidak dapat diatasi yang menghambat aplikasi rongga dengan volume model yang lebih kecil. Perubahan FWHM yang diinduksi oleh perubahan $\varepsilon_{xy}$ dapat diabaikan. Dengan penurunan jari-jari cakram rongga dari 540 hingga 421 nm, FWHM meningkat dari sekitar 9,914 nm hingga sekitar 10,811 nm. Dengan penurunan jari-jari cakram rongga, FWHM meningkat sekitar 0,897 nm. Perluasan linier ini dapat secara efektif dikompensasi oleh pemisahan yang meningkat. Misalnya, ketika $\varepsilon_{xy} = 0,1$, peningkatan pemisahan panjang gelombang sekitar 1,130 nm. Ketika $\varepsilon_{xy} = 0,3$, peningkatan pemisahan panjang gelombang sekitar 2,850 nm, jauh lebih besar dari 0,897 nm. Oleh karena itu, struktur isolator optik yang disajikan di sini memiliki potensi aplikasi yang lebih besar pada ukuran yang lebih kecil dan lebih mendukung tingkat integrasi optik yang lebih tinggi.

Kesimpulan

Dalam rangkuman, isolator optik terintegrasi on-chip sederhana yang terdiri dari gelombang pengiring MIM dan cakram rongga yang diisi dengan material magneto-optik telah dirancang. Dalam struktur isolator optik ini, terdapat SOI paradoks koin baru yang meningkatkan efek magneto-optik melintasi secara efektif. Selain itu, peningkatan ini lebih signifikan untuk nomor modus azimutal n yang lebih kecil. Berdasarkan efek magneto-optik melintasi yang ditingkatkan, isolator optik terintegrasi on-chip berkinerja tinggi diperoleh. IR maksimum ditemukan lebih besar dari 60 dB dengan IL sekitar 2 dB. Efek magneto-optik melintasi tetap kuat dalam rentang panjang gelombang yang luas. Selain itu, efek magneto-optik melintasi yang lebih besar dari rongga yang lebih kecil diverifikasi, yang dapat secara efektif mengatasi perlebaran lembah resonansi yang diinduksi oleh rongga yang lebih kecil.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang mendukung kesimpulan artikel ini termasuk dalam artikel.

Singkatan

SPP:: Polariton plasmon permukaan
TSAM:: Momentum spin melintasi
LSAM:: Momentum spin lintang
SAM:: Momentum spin
OAM:: Momentum orbital
SOI:: Interaksi spin-orbit
MIM:: Logam–Isolator–Logam
IR:: Rasio isolasi
IL:: Kerugian sisipan
TM:: Magnetik transverse
Bi:: YIG: Yttrium Iron Garnet dotasi bismut
FEM:: Metode elemen hingga
FWHM:: Lebar setengah maksimum
EBL:: Litografi sinar elektron

Boron Karbon Oksinitrida: Fotokatalis Bebas Logam Inovatif dengan Produksi Hidrogen Berbasis Surya dan Degradasi Warna yang Ditingkatkan Nanopartikel Emas: Meningkatkan Aplikasi Diagnostik dan Terapis dalam Kedokteran – Tinjauan Komprehensif

bahan nano