[论文解读] Free-Space Wide-Aperture Sheet-Isolator Based on a Multilayered Resonant Cavity

Rodion Kononchuk, Carl Pfeiffer+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2019

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文提出了首个基于多层谐振腔、亚波长磁性层与二向色性纳米层的自由空间宽孔径薄片光学隔离器的概念设计。该谐振腔增强了法拉第旋转效应，并实现了对反向传播光的近乎完全共振吸收；可选的金属纳米层可抑制斜入射，实现带宽内全向隔离，插入损耗为0.04 dB，回波损耗为33 dB（频率94.20 GHz）。

ABSTRACT

We introduce the first conceptual design of a free-space thin-sheet isolator with unlimited aperture and the possibility of a broadband omnidirectional rejection of the backward propagating light. The proposed design involves a multilayered resonant cavity incorporating subwavelength magnetic layers, dichroic nanolayers, and an optional metallic nanolayer. The cavity resonance enhances the Faraday rotation produced by the subwavelength magnetic layers, while providing nearly total absorption of the backward-propagating light by the dichroic nanolayers. The latter is a necessary and the most challenging condition for a thin-sheet isolator with unlimited aperture to function. The (optional) metallic nanolayer provides rejection of the obliquely incident light, which otherwise would be partially transmitted in either direction. Our numerical simulations and quasi-optical measurements at millimeter-wave frequencies illustrate how the key elements of the layered-sheet isolator work. Our approach can be scaled down to long- and mid-infrared wavelengths.

研究动机与目标

• 解决薄片光学隔离器中反向光反射的根本挑战，该问题导致自由空间配置下无法实现隔离。
• 设计一种宽孔径隔离器，实现对反向传播光的完全吸收，且不依赖于光束分束器或倾斜偏振片。
• 克服传统薄片偏振片的局限性，后者部分反射，因多次反射导致隔离失败。
• 通过集成磁性与二向色性层的单一层状谐振腔结构，实现宽带、全向隔离。
• 在毫米波频段验证可行性，并实现向长波段与中红外波段的可扩展性。

提出的方法

• 该隔离器基于多层介质谐振腔，其中包含用于法拉第旋转的亚波长磁性层和用于偏振选择性吸收的二向色性纳米层。
• 谐振腔增强磁性层中的法拉第旋转，从而实现厚度仅几倍波长的薄型低损耗结构。
• 二向色性纳米层经设计可在谐振条件下实现对反向传播光的近乎完全吸收，同时对正向传播光保持透明。
• 在电场分布的反节点平面处添加可选的金属纳米层，以反射斜入射光，防止隔离性能下降。
• 利用高Q值谐振腔调节电磁场分布，实现选择性吸收与非互易行为。
• 通过数值仿真与94.20 GHz频段的准光学测量，验证了谐振吸收、插入损耗与回波损耗性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 宽孔径、薄片型光学隔离器能否在不依赖反射偏振片的情况下，实现对反向传播光的完全吸收？
• RQ2 如何通过谐振腔工程增强法拉第旋转，并在单层结构中实现宽带、全向隔离？
• RQ3 在电场分布的反节点平面处放置金属纳米层，对抑制斜入射光的作用是什么？
• RQ4 在单个腔体内集成磁性层与二向色性层，与级联组件相比，如何提升隔离性能？
• RQ5 该设计能否在保持高隔离度与低插入损耗的前提下，扩展至长波段与中红外波段？

主要发现

• 集成式薄片隔离器在94.20 GHz谐振频率下实现了0.04 dB的插入损耗与33 dB的回波损耗。
• 由于二向色性纳米层吸收的谐振增强，反向传播光几乎被完全吸收，从而实现有效隔离。
• 在偏离谐振频率时，隔离器对正向与反向波均表现出高反射率，防止了非期望的透射。
• 在电场反节点平面添加金属纳米层可有效抑制斜入射，提升了全向性能。
• 通过选用合适的谐振材料与层结构，该设计在长波段与中红外波段具有可扩展性。
• 在毫米波频段的准光学测量结果证实了预测的谐振行为与隔离性能。