利用硬币悖论自旋-轨道相互作用增强片上光隔离，实现卓越的磁光性能

摘要

设计一种简单的片上集成光隔离器，由金属-绝缘体-金属（MIM）波导和填充磁光材料的圆盘微腔组成，利用硬币悖论自旋-轨道相互作用（SOI）增强横向磁光效应。仿真显示该结构获得高性能光隔离器：最大隔离比>60 dB，对应插入损耗约2 dB。优异性能归因于硬币悖论SOI强化的横向磁光效应。此外，SOI增强效应在较小方位模式数n下更显著，使横向磁光效应在宽波长范围保持强劲；更小微腔在同一波长范围内表现出更强的横向磁光效应。研究为高集成磁光器件提供新视角。

引言

基于非互易传输的光隔离器是光通信和光信息处理的关键器件。为实现高集成，已开发多种方法：磁光效应、拓扑学、非线性效应、宇称-时间对称性破缺等。磁光效应仍是热点，但现有器件多为大尺寸，因磁光效应普遍较弱。表面等离子体极化子（SPP）可突破衍射极限，在集成光学潜力巨大，尤其是解决高损耗问题后。SPP具有横向自旋角动量（TSAM），可诱导类似纵向自旋角动量（LSAM）的磁光效应实现非互易传输。但基于SPP横向磁光效应的隔离器难以小型化，主要受限于磁光材料系数小及SPP横向自旋为椭圆而非圆偏。尽管已开发大磁光系数材料，椭圆横向自旋仍是瓶颈。硬币悖论展现独特SOI：圆周轨道导致自旋旋转额外一圈，或可作为调控SPP横向磁光效应的新物理机制。

本文提出由MIM波导和填充磁光材料的圆盘微腔构成的片上光隔离器。仿真证实硬币悖论SOI有效增强横向磁光效应。当磁光参数ε_xy≥0.04时，正向和反向谐振谷完全分离，获得最大隔离比>60 dB、插入损耗~2 dB的高性能隔离器。得益于硬币悖论SOI特性，增强效应在较小n下更强，横向磁光效应在宽波长范围保持强劲；更小微腔具有更大横向磁光效应，可有效克服小微腔导致的谐振谷展宽。该结构在片上高集成磁光器件、光隔离器、磁光开关、磁传感器等具有巨大应用潜力。

方法

器件结构示意图见图1：圆盘半径R=540 nm，MIM波导宽度d=50 nm，波导-微腔间隙g=16.6 nm。金属为银，介电常数采用Drude模型（ε_∞=3.7, ω_p=9.1 eV, γ=0.018 eV）。入射光设为横磁（TM）平面波激发SPP。微腔和波导填充磁光材料（Bi:YIG），施加横向静磁场。磁光材料介电张量对角元ε₀=4.84，非对角元ε_xy取0–0.3。器件可经金属辅助化学刻蚀和电子束光刻制备。采用COMSOL Multiphysics有限元法仿真，二维模型计算透射率，隔离比（IR）和插入损耗（IL）由正反向透射谱得出。

结果与讨论

圆盘微腔支持硬币悖论SOI：如TM_(0,n)模式，SPP横向自旋与轨道旋转同向，绕微腔一圈电场矢量旋转n+1圈，额外一圈源于圆周轨道。SOI在较小n更显著，仿真证实其有效增强横向磁光效应。透射谱显示，ε_xy=0时正反向谱重合；ε_xy=0.3时出现四个显著透射谷（TM_0,3, TM_0,4, TM_1,1, TM_0,5），重点研究前三者。以TM_0,4为例，无磁场时透射谷在1550.2 nm；施加磁场后正向红移、反向蓝移，谐振谷分离随ε_xy增大而增加。ε_xy≥0.05时IL稳定在~2 dB，正反向谐振谷完全分离。最大IR>60 dB，对应IL~2 dB。IR取决于透射谷深度，可通过调节间隙g微调。

不同方位模式数n下，波长分裂Δλ随n减小而增大。Δλ/λ比率随ε_xy变化曲线显示TM_0,3最大，与文献[26]理论相反（理论预测波长增大应削弱横向磁光效应）。硬币悖论SOI在较小n增强更强，可抵消甚至超过波长增加导致的削弱，使异常大的横向磁光效应在宽波长范围保持。更小微腔（R=421 nm）在同一波长（~1550 nm）下波长分裂更大，再次验证SOI增强效应。虽然减小微腔半径会增加谱线半高全宽（FWHM），但增大的分裂量（ε_xy=0.1时增1.130 nm, ε_xy=0.3时增2.850 nm）远超FWHM增加量（0.897 nm），有效补偿展宽，有利于更高集成度。

结论

设计基于硬币悖论SOI的片上集成光隔离器，有效增强横向磁光效应，且增强随方位模式数减小而增强。获得最大隔离比>60 dB、插入损耗~2 dB的高性能器件。横向磁光效应在宽波长范围保持强劲，更小微腔具有更大效应并能克服谐振谷展宽。该结构对片上高集成磁光器件具有巨大应用潜力。