Резонансный волновод с однонаправленной связью для взаимодействия оптического излучения с веществом при сверхслабом внешнем магнитном поле

Юхтанов Н.Г., Волков И.А., Савельев Р.С., Рыбин М.В., Петров М.И.

Ссылка для цитирования:

Юхтанов Н.Г., Волков И.А., Савельев Р.С., Рыбин М.В., Петров М.И. Резонансный волновод с однонаправленной связью для взаимодействия оптического излучения с веществом при сверхслабом внешнем магнитном поле // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 4. С. 29–37. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-29-37

Iukhtanov N.G, Volkov I.A., Savelev R.S., Rybin M.V., Petrov M.I. Resonant waveguide with unidirectional coupling for light-matter interaction under ultra-weak external magnetic field [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 4. P. 29–37. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-29-37

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Управление направленностью излучения в диэлектрических периодических волноводах для спин-селективных взаимодействий оптического излучения с веществом. Цель исследования. Разработать и численно верифицировать резонансный диэлектрический волновод на платформе кремний на изоляторе (КНИ), обеспечивающий однонаправленную связь между дипольными переходами с правой/левой круговой поляризацией и модами с противоположным направлением распространения при сверхслабом внешнем магнитном поле, обеспечивающий объёмно-усреднённую направленность электромагнитного излучения не ниже 80% (для σ+ и σ–) в субволновом объёме волновода (100 нм3). Метод. Инженерия двух квазивырожденных мод с нарушением зеркальной симметрии элементарной ячейки и мнимой константой связи; моделирование электромагнитных волн в частотной области в COMSOL Multiphysics. Основные результаты. Получены эллиптически поляризованные моды с направленным переносом энергии и достигнута усреднённая направленность электромагнитного излучения 92% (σ+, 245 ТГц) и 82% (σ–, 254 ТГц) в субволновом объёме (100 нм3). Показана альтернативная реализация однонаправленности в кольцевом резонаторе без смещения поперечных элементов волновода. Практическая значимость. Структура снижает требования к величине магнитного поля для спин-разрешающего детектирования, совместима с кремниевой интегральной фотоникой и перспективна для компактных интерфейсов «спин–фотон», спектроскопии и квантово-оптических измерений при близких к комнатным условиям.

Ключевые слова:

однонаправленное распространение, хиральная связь, круговая поляризация, резонансный волновод, кремниевая интегральная фотоника, Зеемановское расщепление, кольцевой резонатор, спин-фотонный интерфейс

Благодарность:

работа поддержана Российским научным фондом, проект № 25–12–00213

Коды OCIS: 230.0230

Список источников:

1. Gorkunov M.V., Antonov A.A. Rational design of maximum chiral dielectric metasurfaces // All-Dielectric Nanophotonics. Elsevier. 2024. P. 243–286. https://doi.org/10.1016/B978-0-32-395195-1.00014-4
2. Wang S., Deng Z.-L., Wang Y. et al. Arbitrary polarization conversion dichroism metasurfaces for all-inone full Poincaré sphere polarizers // Light: Science & Applications. 2021. V. 10. P. 24. https://doi.org/10.1038/s41377-021-00468-y
3. Gorkunov M.V., Antonov A.A., Tuz V.R. et al. Bound states in the continuum underpin near-lossless maximum chirality in dielectric metasurfaces // Advanced Optical Materials. 2021. V. 9. № 19. P. 2100797. https://doi.org/10.1002/adom.202100797
4. Lodahl P., Mahmoodian S., Stobbe S. et al. Chiral quantum optics // Nature. 2017. V. 541. № 7638. P. 473–480. https://doi.org/10.1038/nature21037
5. Söllner I., Mahmoodian S., Hansen S.L. et al. Deterministic photon–emitter coupling in chiral photonic circuits // Nature Nanotechnology. 2015. V. 10. № 9. P. 775–778. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.159
6. Martin N.J., Hallett D., Duda M. et al. Purcell-enhanced, directional light–matter interaction in a waveguide-coupled nanocavity // Optica. 2025. V. 12. № 7. P. 1100–1108. https://doi.org/10.1364/OPTICA.561630
7. Barik S., Karasahin A., Flower C. et al. A topological quantum optics interface // Science. 2018. V. 359. № 6376. P. 666–668. https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
8. Norden T., Zhao C., Zhang P. et al. Giant valley splitting in monolayer WS2 by magnetic proximity effect // Nature Communications. 2019. V. 10. P. 4163. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11966-4
9. Suárez-Forero D.G., Session D.W., Jalali Mehrabad M. et al. Spin-selective strong light–matter coupling in a 2D hole gas-microcavity system // Nature Photonics. 2023. V. 17. P. 912–916. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01248-3
10. DeAbreu A., Bowness C., Alizadeh A. et al. Waveguideintegrated silicon T centres // Optics Express. 2023. V. 31. № 9. P. 15045–15057. https://doi.org/10.1364/OE.482008
11. Suárez-Forero D.G., Jalali Mehrabad M., Vega C., González-Tudela A., Hafezi M. Chiral quantum optics: Recent developments and future directions // PRX Quantum. 2025. V. 6. P. 020101. https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.6.020101

12. Bliokh K.Y., Nori F. Transverse and longitudinal angular momenta of light // Physics Reports. 2015. V. 592. P. 1–38. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2015.06.003
13. Volkov I.A., Savelev R.S. Unidirectional coupling of a quantum emitter to a subwavelength grating waveguide with an engineered stationary inflection point // Physical Review B. 2021. V. 104. № 24. P. 245408. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.245408
14. Dyakov S.A., Stepikhova M.V., Bogdanov A.A. et al. Photonic bound states in the continuum in Si structures with the self-assembled Ge nanoislands // Laser & Photonics Reviews. 2021. V. 15. № 7. P. 2000242. https://doi.org/10.1002/lpor.202000242