Улучшение Холла фотонного спина с помощью нанофотонного резонатора для сенсорных приложений

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 9292 (2023) Цитировать эту статью

31 доступ

Подробности о метриках

В этой рукописи представлена ​​структура диэлектрического резонатора с измененными дисперсионными характеристиками для усиления эффекта Холла фотонного спина (PSHE). Структурные параметры оптимизированы для улучшения PSHE на рабочей длине волны 632,8 нм. Анализ угловой дисперсии в зависимости от толщины проводится для оптимизации структуры и получения исключительных точек. Спиновое расщепление, индуцированное PSHE, показывает высокую чувствительность к оптической толщине дефектного слоя. Это дает максимальное поперечное смещение на основе PSHE (PSHE-TD) примерно в 56,66 раза больше рабочей длины волны при угле падения 61,68°. Кроме того, также оцениваются возможности конструкции в качестве датчика показателя преломления на основе PSHE. Аналитические результаты демонстрируют среднюю чувствительность около 33 720 мкм/RIU. Структура демонстрирует примерно в пять раз более высокий уровень PSHE-TD и улучшение чувствительности примерно на 150% по сравнению с недавно сообщенными значениями для резонансных структур с потерями. Благодаря конфигурациям PhC-резонаторов, состоящих исключительно из диэлектрических материалов, и значительно более высокому PSHE-TD, предусматривается разработка недорогих устройств на основе PSHE для коммерческого применения.

Спин-орбитальное взаимодействие (СОВ) — фундаментальное явление, наблюдаемое в различных областях научных исследований, таких как физика конденсированного состояния, спинтроника и фотоника. В последние годы возрос интерес к исследованию спинового эффекта Холла (СЭХ) в электронах, который представляет собой совокупность релятивистских явлений КНИ1. Способность генерировать, манипулировать и обнаруживать спиновые токи привела к появлению таких приложений, как булева логика, память, вычисления и аппаратная безопасность2,3,4 и т. д. Аналогичным образом, эффект Холла фотонного спина (PSHE) показал различные многообещающие применения. и ожидается, что он покажет превосходную производительность благодаря своему присущему преимуществу. PSHE относится к зависимому от спина поперечному сдвигу фотонов относительно геометрической оптической траектории, когда луч проходит через оптический интерфейс или неоднородную среду5,6. Блиох и др. в 2004 году представил топологическое спиновое расщепление фотонов в неоднородной среде, используя концепцию геометрической фазы Берри (GBP)7,8. Онода и др. в том же году предположил наличие PSHE на основе разговора GBP и оптического углового момента (OAM)9 и далее предложил комплексный теоретический подход для расчета PSHE в 2007 году10. Таким образом, происхождение PSHE связано с SOI света , ОАМ и геометрические фазы, т.е. фаза Рытова-Власимирского и фаза Панчаратнама-Берри11. Из-за эффекта PSHE отраженный луч расщепляется на соответствующие состояния поляризации (RCP/LCP или H/V-поляризация).

Первая экспериментальная демонстрация PSHE была проведена в 2008 году Hosten et al. на границе раздела воздух-стекло12. После этого исследование PSHE было проведено в киральных материалах13, тонких металлических пленках14, топологических материалах15, двумерных атомных кристаллах16, метаматериалах17, фотонных кристаллах (PhC)18 и т. д. Здесь основной упор делается на усиление PSHE, которое был исследован с использованием различных нанофотонных методов, таких как угол Брюстера19, поверхностный плазмонный резонанс (SPR)20,21,22, оптическая накачка23 и резонанс моды с потерями (LMR)24 и т. д. Эти методы были использованы при разработке высокочувствительных датчиков показателя преломления с использованием PSHE14,24,25,26,27. Однако сообщаемый PSHE-TD очень низок в большинстве известных структур, что ограничивает его широкое использование в различных интересных приложениях. PSHE-TD также можно улучшить с помощью наноустройств на основе многослойных фотонных кристаллов из-за их светорегулирующих свойств28. За последние несколько лет спрос на эти устройства в различных интересных приложениях, включая биомедицинскую диагностику, измерение жидкости/газа и мониторинг окружающей среды, значительно вырос. Эти наноструктуры можно оптимизировать для управления взаимодействиями света и материи, подавляя определенную поляризацию. Это свойство усиливает PSHE и, таким образом, показывает его возможности в нескольких интересных приложениях в широком спектре научных областей31. Однако, насколько нам известно, в литературе еще не сообщалось о работах, касающихся только конфигураций PhC-резонаторов с использованием диэлектрических материалов для измерения показателя преломления с использованием улучшения PSHE.