Coin Paradox Spin-Orbit Interaction aumenta o efeito magneto-óptico e sua aplicação no isolador óptico integrado On-Chip

Resumo

Projetamos um isolador óptico integrado no chip simples feito de um guia de onda de metal-isolador-metal e uma cavidade de disco preenchida com material magneto-óptico para aumentar o efeito magneto-óptico transversal por meio da interação spin-órbita do paradoxo da moeda (SOI). Os resultados da simulação das propriedades de transmissão não recíproca desta estrutura óptica mostram que um isolador óptico integrado de alto desempenho no chip é obtido. A taxa de isolamento máxima é superior a 60 dB com uma perda de inserção correspondente de cerca de 2 dB. O ótimo desempenho do isolador óptico é atribuído ao forte efeito magneto-óptico transversal, potencializado pelo paradoxo da moeda SOI. Além disso, o aumento do efeito magneto-óptico transversal através do paradoxo da moeda SOI é mais substancial para o número de modo azimutal menor n . Beneficiando-se disso, o efeito magneto-óptico transversal permanece forte em uma ampla faixa de comprimento de onda. Além disso, uma cavidade menor tem um efeito magneto-óptico transversal mais forte na mesma faixa de comprimento de onda. Nossa pesquisa fornece uma nova perspectiva para a criação de dispositivos magneto-ópticos altamente integrados.

Introdução

Os isoladores óticos baseados em transmissão não recíproca são os principais elementos fotônicos em telecomunicações óticas e informações óticas. Para alcançar um isolador óptico mais integrado, muitos métodos, como o uso de efeito magneto-óptico [1,2,3,4,5], topologia [6], efeitos não lineares [7,8,9,10,11, 12] e quebra de simetria de tempo de paridade [13,14,15], foram desenvolvidos. Entre eles, o efeito magneto-óptico ainda é um ponto quente. Até agora, no entanto, os dispositivos criados têm sido normalmente em grandes escalas [2, 16] porque o efeito magneto-óptico é mais fraco nesses casos.

Plasmon polariton de superfície (SPP) pode quebrar o limite de difração [17, 18] e tem excelente potencial em óptica integrada [19,20,21], especialmente após a melhora no problema de alta perda de SPP [22]. SPP tem momento angular de rotação transversal (TSAM) [23,24,25], o que pode induzir um efeito magneto-óptico para realizar uma transmissão não recíproca semelhante ao momento angular de rotação longitudinal (LSAM) da luz [26,27,28 ] No entanto, é difícil miniaturizar o isolador com base no efeito magneto-óptico transversal do SPP devido ao efeito magneto-óptico fraco. Há duas razões principais que resultaram no fraco efeito magneto-óptico transversal do SPP; um é o pequeno coeficiente magneto-óptico dos materiais magneto-ópticos, e o outro é que o spin transversal do SPP não é circular, mas elíptico [26]. Atualmente, uma variedade de materiais magneto-ópticos com grandes coeficientes magneto-ópticos têm sido fabricados e aplicados a isoladores de luz [4, 29,30,31,32]. Isso traz esperança para a criação de isoladores ópticos miniaturizados com estruturas plasmônicas. Mas, por outro lado, o spin transversal elíptico do SPP ainda é o gargalo para a aplicação do efeito magneto-óptico transversal. A descoberta de novos métodos para potencializar o efeito magneto-óptico transversal ainda é desejada.

Spin e momentos angulares orbitais (SAM e OAM) são dois componentes de luz distintos. Estes podem interagir uns com os outros de forma eficaz, ou seja, por meio da interação spin-órbita (SOI). Muitos efeitos ópticos essenciais e valiosos baseados em SOI de luz foram descobertos, incluindo efeito Hall de spin, efeito Hall de spin quântico, topologia, etc. O paradoxo da moeda é um fenômeno natural fascinante, que mostra um SOI distinto, que a órbita circunferencial causa a rotação de a mudança de rotação. Assim, o paradoxo da moeda SOI pode ser um novo mecanismo físico para regular o efeito magneto-óptico transversal do SPP.

Este trabalho relata o projeto de um isolador óptico integrado simples no chip composto por um guia de onda metal-isolador-metal (MIM) e uma cavidade de disco preenchida com um material magneto-óptico. Nesta estrutura de isolador óptico, o aumento efetivo do efeito magneto-óptico transversal foi confirmado através do paradoxo da moeda SOI. Beneficiando-se do efeito magneto-óptico transversal aprimorado na estrutura do isolador óptico, os vales ressonantes para a frente e para trás nos espectros de transmissão foram totalmente separados uns dos outros quando o parâmetro magneto-óptico \ (\ varepsilon_ {xy} \ ge 0,04 \). Foi obtido um isolador óptico integrado no chip de alto desempenho, para o qual a taxa de isolamento máxima (IR) foi superior a 60 dB e a perda de inserção correspondente (IL) foi de cerca de 2 dB. Devido às propriedades únicas do paradoxo da moeda SOI na estrutura do isolador óptico, a melhoria do efeito magneto-óptico transversal é mais substancial para o modo azimutal menor número n. O efeito magneto-óptico transversal permaneceu forte em uma ampla faixa de comprimento de onda. Além disso, um maior efeito magneto-óptico transversal apareceu em uma cavidade de disco menor, o que poderia efetivamente superar o alargamento dos vales de ressonância induzido pela cavidade menor. A forte estrutura de efeito magneto-óptico transversal desenvolvido neste documento tem grande potencial de aplicação em dispositivos magneto-ópticos altamente integrados on-chip, isoladores ópticos, interruptores magneto-ópticos, sensores magnéticos, etc.

Métodos

A Figura 1 mostra a ilustração esquemática da estrutura de isolador óptico proposta composta por um guia de ondas MIM e uma cavidade de disco. O raio ( R ) da cavidade do disco foi definida para 540 nm, a largura do guia de onda MIM d foi definida para 50 nm e o intervalo entre a cavidade do disco e o guia de onda MIM g foi definido para 16,6 nm. O metal é a prata, cuja permissividade relativa complexa dependente da frequência é caracterizada pelo modelo de Drude:
$$ \ varejpsilon_ {m} (\ omega) =\ varepsilon _ {\ infty} - \ omega_ {p} ^ {2} / \ omega (\ omega + i \ gamma) $$ (1)

Ilustração esquemática da estrutura do isolador óptico composta por um guia de onda MIM e uma cavidade de disco. O guia de onda MIM e a cavidade do disco são preenchidos com material magneto-óptico e permanecem sob um campo magnético estático

Aqui, \ (\ varepsilon _ {\ infty} \) é a constante dielétrica em uma frequência infinita, γ é a frequência de colisão de elétrons, \ (\ omega_ {p} \) é a frequência de plasma em massa, e ω é a frequência angular da luz incidente. Os parâmetros colocados na Eq. (1) foram \ (\ varepsilon _ {\ infty} \) =3,7, \ (\ omega_ {p} \) =9,1 eV, γ =0,018 eV [33]. Para excitar os SPPs, a luz de entrada foi configurada para onda plana magnética transversal (TM).

A cavidade do disco e o guia de onda MIM foram preenchidos com material magneto-óptico, e um campo magnético estático transversal é aplicado. O efeito do campo magnético estático em materiais magneto-ópticos foi amplamente refletido no tensor dielétrico dos materiais. Para materiais magneto-ópticos anisotrópicos, um campo magnético estático B pode ser aplicado ao longo da direção z, onde o tensor dielétrico pode ser expresso como:
$$ {{\ varvec {\ upvarepsilon}}} =\ left ({\ begin {array} {* {20} c} {\ varepsilon_ {xx}} &{- i \ varepsilon_ {xy}} &0 \\ {i \ varepsilon_ {xy}} &{\ varepsilon_ {yy}} &0 \\ 0 &0 &{\ varepsilon_ {zz}} \\ \ end {array}} \ right) $$ (2)
O material magneto-óptico é definido como granada de ítrio-ferro dopada com bismuto (Bi:YIG). Garnet pertence à estrutura cristalina cúbica e é isotrópica, então os elementos diagonais varej de seu tensor dielétrico são idênticos, isto é, \ (\ varepsilon_ {xx} =\ varepsilon_ {yy} =\ varepsilon_ {zz} =\ epsilon_ {0} =n ^ {2} \). A constante dielétrica \ (\ varepsilon_ {0} \) do elemento diagonal é definida como 4,84, o índice de refração típico de YIG próximo ao comprimento de onda de 1,5 μm [34]. Recentemente, experimentos provaram que \ (\ varepsilon_ {xy} \) pode ser maior que 0,3 [35] e o teoricamente previsto [36] \ (\ varepsilon_ {xy} \) é muito maior do que o obtido pelo experimento. Neste trabalho, o valor de \ (\ varepsilon_ {xy} \) foi definido de 0 a 0,3. Este dispositivo pode ser fabricado por corrosão química assistida por metal [37, 38] e litografia por feixe de elétrons (EBL).

O software comercial COMSOL Multiphysics foi empregado para a construção de modelos e cálculos de simulação baseados no método dos elementos finitos (FEM). Para conveniência da pesquisa, toda a estrutura era bidimensional. O vetor de ponto de passagem S foi integrado nas extremidades de entrada e saída para obter a energia de entrada \ (P _ {\ text {in}} \) e a energia de saída \ (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}} \ ) e a transmitância \ (T =10 {*} \ lg \ left ({P _ {{{\ text {out}}}} / P _ {{{\ text {in}}}}} \ right) \) dB . IL é a taxa de transmissão regressiva no comprimento de onda de isolamento direto e é calculada usando os dados de transmitância obtidos na simulação. A entrada de luz foi fornecida da esquerda do guia de onda MIM e sua saída da direita é rotulada como ‘para frente’ neste documento. Ao contrário, a entrada de luz da direita do guia de onda MIM resultou na saída da esquerda e é chamada de "para trás".

Resultados e discussão

Conforme mostrado na Fig. 1, a cavidade do disco suporta um fascinante paradoxo SOI. Por exemplo, para o modo TM _{(0, n )} , o spin transversal e a rotação da órbita de SPP estão na mesma direção. SPP percorre a cavidade do disco uma volta, e o vetor de campo elétrico gira n + 1 voltas. A órbita circular causa a volta extra. Este efeito é semelhante ao paradoxo da moeda e forma um SOI único. O paradoxo da moeda SOI é mais significativo para n menores. Os resultados da simulação confirmam que o paradoxo da moeda SOI pode aumentar o efeito magneto-óptico transversal de forma eficaz.

A Figura 2 mostra os espectros de transmissão das estruturas do isolador óptico para diferentes \ (\ varepsilon_ {xy} \). Para o caso de \ (\ varepsilon_ {xy} =0 \), os espectros de transmissão para frente e para trás se sobrepõem, o espectro de transmissão é mostrado como uma linha preta sólida. A linha vermelha sólida mostra o espectro de transmissão para o caso de \ (\ varepsilon_ {xy} =0,3 \) para a frente, linha vermelha pontilhada para o caso de \ (\ varepsilon_ {xy} =0,3 \) para trás. Conforme mostrado na Fig. 2, existem quatro vales de transmissão proeminentes em cada espectro de transmissão. Para o caso de \ (\ varepsilon_ {xy} =0 \), quatro vales de transmissão estão localizados a 1936,0 nm, 1550,2 nm, 1460,0 nm e 1302,5 nm, respectivamente. Para modelagem bidimensional de elementos finitos, as ressonâncias da cavidade do disco são caracterizadas por dois inteiros (m _i , n _i ) que contam o antinodo radial e azimutal. De acordo com as distribuições de intensidade do componente z do campo magnético mostrado nas inserções, os quatro vales de transmissão induzidos por modos ressonantes são:TM _0,3 , TM _0,4 , TM _1,1 e TM _0,5 . Neste artigo, focamos principalmente no efeito magneto-óptico transversal do SPP e, portanto, nos modos ressonantes:TM _0,3 , TM _0,4 e TM _0,5 foram pesquisados em detalhes.

Os espectros de transmissão total das estruturas do isolador óptico para diferentes \ (\ varepsilon_ {xy} \). A linha preta sólida mostra o espectro de transmissão para \ (\ varepsilon_ {xy} =0 \), linha vermelha sólida para \ (\ varepsilon_ {xy} =0,3 \) para a frente e a linha vermelha pontilhada para \ (\ varepsilon_ {xy} =0,3 \) para trás. As inserções abaixo dos espectros de transmissão são as distribuições de intensidade do componente z do campo magnético, correspondendo ao caso de \ (\ varepsilon_ {xy} =0 \)

Inicialmente, o desempenho de isolamento da estrutura do isolador óptico do modo ressonante TM _0,4 foi estudado. A Figura 3a, b mostra os espectros de transmissão das estruturas do isolador óptico do modo ressonante TM _0,4 com diferente \ (\ varepsilon_ {xy} \). Sem qualquer campo magnético, o vale de transmissão está localizado a cerca de 1550,2 nm. Ao aplicar o campo magnético, o vale transmitido sofre um desvio para o vermelho conforme o SPP se desloca para frente e um desvio para o azul quase simetricamente conforme o SPP se desloca para trás. Assim, a divisão dos vales ressonantes para a frente e para trás foi observada. Com o aumento no valor do parâmetro magneto-óptico \ (\ varepsilon_ {xy} \), o comprimento de onda mudou e a divisão aumentou. A Figura 3c mostra a curva da divisão de vales ressonantes para frente e para trás variando com o parâmetro magneto-óptico \ (\ varepsilon_ {xy} \). Conforme mostrado na Fig. 3c, a divisão está praticamente relacionada positivamente ao parâmetro magneto-óptico \ (\ varepsilon_ {xy} \). A Figura 3d exibe o IR e o IL da estrutura do isolador óptico do modo ressonante TM _0,4 para diferente \ (\ varepsilon_ {xy} \). Com o aumento no valor de \ (\ varepsilon_ {xy} \), tanto o IL direto quanto o retroativo diminuíram. Além disso, quando \ (\ varepsilon_ {xy} \ ge 0,05 \), o IL era tão pequeno quanto cerca de 2 dB e permaneceu estável. Isso significa que os vales ressonantes para a frente e para trás estavam inteiramente separados um do outro. O IR para frente e para trás exibiu curvas de mudança diferentes conforme o \ (\ varepsilon_ {xy} \) aumentou. Conforme mostrado na Fig. 3d, obtemos o IR máximo superior a 60 dB com um IL correspondente de cerca de 2 dB. O IR foi determinado pela profundidade do vale de transmissão. Depende da distância de acoplamento entre o guia de ondas MIM e a cavidade do disco. Assim, o IR pode ser ajustado alterando a lacuna entre o guia de onda MIM e a cavidade do disco, g . Os resultados relevantes mostram que o grande efeito magneto-óptico existe na estrutura do isolador óptico aqui apresentada e, como resultado, um isolador óptico integrado no chip de alto desempenho é obtido.

O espectro de transmissão, divisão de comprimento de onda, IR e IL no modo TM _0,4 . a , b Os espectros de transmissão de luz de diferentes direções de propagação acoplados na cavidade do disco tendo diferentes \ (\ varepsilon_ {xy} \). c , d Os gráficos lineares de divisão de comprimento de onda, IR e IL como uma função de \ (\ varepsilon_ {xy} \)

O aumento do efeito magneto-óptico transversal pelo paradoxo da moeda SOI será mais significativo para o número de modo azimutal menor n. Os resultados da simulação podem ser usados para provar esta lei. Conforme mostrado na Fig. 2, para os casos de TM _0,5 , TM _0,4 e TM _0,3 , a divisão \ (\ Delta \ lambda \) aumentou com a diminuição do número do modo azimutal n. Para comparar com precisão a intensidade do efeito magneto-óptico transversal de diferentes modos, gráficos de linha da razão \ (\ Delta \ lambda / \ lambda \) variando com \ (\ varepsilon_ {xy} \) para diferentes modos são plotados na Fig. 4. Conforme mostrado na Fig. 4, para três modos diferentes, a razão \ (\ Delta \ lambda / \ lambda \) tem apenas uma ligeira mudança. Além disso, como mostrado nas inserções, \ (\ Delta \ lambda / \ lambda \) proporções de TM _0,5 e TM _0,4 são quase iguais e os de TM _0,3 é o maior. Estes resultados de simulação são contrários à teoria relatada na Ref. [26]. Para os casos de TM _0,5 , TM _0,4 e TM _0,3 , o comprimento de onda de ressonância aumentou com a diminuição no número de modo azimutal n, que é claramente mostrado na Fig. 2. Conforme o comprimento de onda aumentou, o valor absoluto da permissividade dielétrica do metal \ (\ varepsilon_ {M} \) aumentou rapidamente, resultando em uma diminuição em \ (\ beta_ {SPP} \). De acordo com a teoria na Ref. [26], esperava-se que o efeito magneto-óptico transversal fosse enfraquecido e a razão \ (\ Delta \ lambda / \ lambda \) menor. Portanto, os resultados da simulação presentes são contrários à teoria na Ref. [26]. O aumento no efeito magneto-óptico transversal pelo paradoxo da moeda SOI pode resolver esta contradição entre os resultados da simulação e a teoria na Ref. [26]. Como mencionado acima, o paradoxo da moeda SOI é mais significativo para o número de modo azimutal menor n. Assim, o aumento do efeito magneto-óptico transversal pelo paradoxo da moeda SOI pode cancelar ou mesmo ultrapassar o enfraquecimento desencadeado pelo aumento do comprimento de onda. Além disso, outra conclusão pode ser tirada de que o efeito magneto-óptico transversal anormalmente grande mencionado neste trabalho é causado pelo paradoxo da moeda SOI e permanece forte em uma grande faixa de comprimento de onda.

Gráfico de linha da razão \ (\ Delta \ lambda / \ lambda \) variando com \ (\ varepsilon_ {xy} \) para modos diferentes. As inserções são a visualização parcialmente ampliada de pontos de dados quando \ (\ varepsilon_ {xy} =0,2 \) e \ (\ varepsilon_ {xy} =0,3 \)

Para o menor número de modo azimutal n, o aumento do efeito magneto-óptico transversal pelo paradoxo da moeda SOI é mais significativo. Portanto, uma cavidade menor terá um efeito magneto-óptico transversal maior na mesma faixa de comprimento de onda, ou seja, uma divisão de comprimento de onda maior. Para confirmar esta conclusão, o raio da cavidade do disco R foi definido com um valor menor, 421 nm. O espectro de transmissão da cavidade menor R =421 nm é mostrado na Fig. 5a, e comparado com a cavidade maior R =540 nm. Pode ser visto que TM _0,3 para cavidade menor R =421 nm e TM _0,4 para cavidades maiores R =540 nm estão ambos localizados a cerca de 1550 nm. O gráfico linear da divisão do comprimento de onda mudando com o \ (\ varepsilon_ {xy} \) para diferentes raios da cavidade do disco é plotado na Fig. 5b. É óbvio que a divisão do comprimento de onda da cavidade menor é maior do que a da cavidade maior, o que está de acordo com nossas expectativas. Além disso, o aumento do efeito magneto-óptico transversal pelo paradoxo da moeda SOI é comprovado novamente.

Os espectros de transmissão e divisão do comprimento de onda da cavidade do disco com raios diferentes. a Os espectros de transmissão de luz de diferentes direções de propagação são acoplados a uma cavidade de disco com raios diferentes. Os insets correspondem à distribuição de intensidade do componente z do campo magnético quando \ (\ varepsilon_ {xy} =0 \). b Gráfico linear da divisão do comprimento de onda para a cavidade do disco com raios diferentes

É bem sabido que com a diminuição do raio da cavidade do disco, a largura total na metade do máximo (FWHM) da linha espectral aumentará. Bigger FWHM tem sido o principal obstáculo intransponível que dificulta a aplicação de cavidades com volumes de modelo menores. A mudança em FWHM induzida pela mudança de \ (\ varepsilon_ {xy} \) pode ser ignorada. Com o raio da cavidade do disco diminuindo de 540 para 421 nm, o FWHM aumentou de cerca de 9,914 nm para cerca de 10,811 nm. Com a diminuição do raio da cavidade discal, o FWHM aumentou cerca de 0,897 nm. Esta expansão linear pode ser compensada de forma eficaz por uma divisão aumentada. Por exemplo, quando \ (\ varepsilon_ {xy} =0,1 \), o aumento na divisão do comprimento de onda foi de cerca de 1,130 nm. Quando \ (\ varepsilon_ {xy} =0,3 \), o aumento na divisão do comprimento de onda foi de cerca de 2,850 nm, muito maior do que 0,897 nm. Portanto, a estrutura do isolador óptico apresentada aqui tem um maior potencial de aplicação em um tamanho menor e é mais propícia a um maior grau de integração óptica.

Conclusão

Em resumo, um isolador óptico integrado no chip simples composto de um guia de onda MIM e uma cavidade de disco preenchida com material magneto-óptico foi projetado. Nesta estrutura de isolador óptico, existe uma nova interação spin-órbita do paradoxo da moeda, aumentando o efeito magneto-óptico transversal de forma eficaz. Além disso, o aumento é mais significativo para o modo azimutal menor número n. Com base no efeito magneto-óptico transversal aprimorado, um isolador óptico integrado de alto desempenho no chip foi obtido. O IR máximo foi maior do que 60 dB com IL de cerca de 2 dB. O efeito magneto-óptico transversal permanece forte em uma ampla faixa de comprimento de onda. Além disso, verifica-se o maior efeito magneto-óptico transversal das cavidades menores, o que pode superar efetivamente o alargamento dos vales de ressonância induzido pela cavidade menor.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados que sustentam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.

Abreviações

SPP:: Plasmon polariton de superfície
TSAM:: Momento angular de rotação transversal
LSAM:: Momento angular de rotação longitudinal
SAM:: Momentos angulares de giro
OAM:: Momentos angulares orbitais
SOI:: Interação spin-órbita
MIM:: Metal – Isolador – Metal
IR:: Taxa de isolamento
IL:: Perda de inserção
TM:: Magnético transversal
Bi:: YIG:granada ítrio-ferro dopada com bismuto
FEM:: Método do elemento finito
FWHM:: Largura total na metade do máximo
EBL:: Litografia de feixe de elétrons

Oxinitreto de carbono de boro como um novo fotocatalisador livre de metal Nanopartículas multifuncionais de ouro para aplicações diagnósticas e terapêuticas aprimoradas:uma revisão

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias