图1 打破磁光回旋镜像对称性的太赫兹隔离器示意图
1. 导读
光隔离器和环形器是非互易单向传输器件，可以使得正向传播的电磁波低损输出而隔绝反向波的干扰，因此这些器件在保护光源与探测器、实现阻抗匹配、消除噪音以及去耦合等方面具有不可替代的作用。太赫兹（THz）波指的是频率位于0.1~ 10THz范围内的电磁波段，在新一代通信、雷达、成像和传感领域具有巨大潜力。然而，由于缺乏宽带、低损耗的太赫兹非互易传输器件，系统组件的反射和散射回波限制了这些太赫兹系统的性能，特别是对正蓬勃发展的高功率太赫兹源和高灵敏度探测系统的安全构成了严重威胁；同时，传统基于法拉第旋光效应和圆二色性的自由空间光隔离器，在实现单向传输的同时总会改变输出光的偏振态，在很多应用场景中都带来诸多不便。
针对太赫兹隔离器的这些问题，近日南开大学范飞副教授和常胜江教授团队在Nanophotonics发表最新文章，实现了一种高隔离度太赫兹线偏振隔离器。本文通过在太赫兹磁光材料InSb的两侧引入一对正交的各向异性超光栅，这种级联“超光栅-InSb-超光栅”结构同时打破了传输体系在外磁场下的对正交自旋手性态的回旋镜像对称性和时间反演对称，在实现低损耗、高隔离度单向传输的同时，不改变输出光的线偏振状态。实验结果表明该器件在0.4THz和0.17T磁场情况下对同一输入和输出线偏振太赫兹波实现了高达50dB的隔离度。本文为未来太赫兹偏振控制和非互易隔离器件的研究与应用打开了新思路，有助于设计高效实用的太赫兹隔离器件。
2. 研究背景
太赫兹磁光材料是开发太赫兹非互易器件的主要途径之一。它需要在相对较弱的外磁场下工作，同时在太赫兹波段具有显着的磁光效应和低吸收损耗，然而，满足上述条件的材料在太赫兹波段很难寻找。近来，窄带隙半导体 InSb因其在太赫兹波段的显著的旋电磁光特性而受到关注，其回旋共振频段在弱磁场下刚好位于太赫兹波段。在之前的研究中，Li等人实验验证了 InSb 的横向磁光双折射效应；Mu 等人在实验中研究了InSb在纵向磁场配置中的法拉第磁光效应，并将InSb与人工微结构相结合，在弱磁场的情况下实现了> 70％调制深度的磁光偏振调制。除此之外，InSb还具有发展隔离器的潜力。例如，在 2018 年，Lin 等人提出了一种具有横向磁光效应的反射式太赫兹隔离器，这种单向隔离器实现了对p波极化的隔离，隔离度达到35 dB，插入损耗为 6.2 dB，但它需要严格的入射角和只有较窄的带宽。
将人工微结构引入磁光器件中，可以显着增强磁光效应并提供特殊的电磁传输特性。2011年，Belotelov等证明可以通过将材料与微结构相结合来增强磁光效应。Wang等人利用YIG的旋磁特性构建了光子晶体中的非零陈数，并首次通过实验观察到在微波状态下具有非互易单向传输的拓扑边界状态。2016 年，Tamagnone等人报道了一种基于多层堆叠石墨烯的太赫兹隔离器，在7 T的强偏置磁场下，其隔离度约为20 dB，但在2.9 THz下的插入损耗为7.5 dB。太赫兹磁光微结构器件为太赫兹非互易传输机制和器件的发展提供了新的机遇。但是，综上研究而言，对于太赫兹磁光隔离器还是存在着高损耗，低效率和偏振态发生转换等缺点，因此需要进一步的研究高效、无偏振转换的太赫兹隔离器。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从太赫兹磁光材料InSb的基本光学性质出发，发现InSb在磁场下对圆偏振光具有非互易效应，然而，对于线偏振光，其关于外场磁场呈现出镜像对称(如图2)。基于这种缺陷，研究人员创新性的提出了对InSb引入人工双折射从而打破这种回旋镜像对称性，形成“超光栅-InSb-超光栅”的级联集成结构，从而实现无线偏振转换的高效单向隔离传输的新方法。研究人员将两个介质Si超光栅分别放置于InSb的正反面，并且使得上述超光栅的光栅方向相互正交。通过琼斯矩阵计算，发现该结构对于线偏振基其透过率与磁场不再呈现对称关系。进一步的，我们发现其偏振无转换的隔离机理，在光栅引入的相位差为90°(即1/4波片)左右有着较好的隔离效果，又称为完美隔离点。
图2 InSb和超光栅-InSb-超光栅结构隔离示意图和理论计算结果
随后，研究人员太赫兹时域磁场偏振光谱系统对设计的结构进行了实验测量。介质硅光栅的基本性质和超光栅-InSb-超光栅结构的隔离表征如图3所示。可以见得，该实验结果和理论计算很好的吻合，在0.17 T的弱磁场下，在0.4THz附近隔离度达到了50dB，并且通过计算其偏振态椭圆，我们发现在0.4THz，其出射偏振状态几乎是不发生改变的。实验结果很好的和理论相互印证。进一步的，设计了基于硅超光栅的宽带的1/4波片，实现了0.2-0.7THz的宽带隔离，相对隔离带宽高达110%。
图3 介质硅光栅的基本性质和光栅-InSb-光栅结构的隔离性质实验结果
4. 应用与展望
研究团队提出的基于级联磁光超光栅中回旋镜像对称性破缺的线偏振太赫兹隔离器的新方法，对于太赫兹波时空对称性破缺机制、高自由度偏振/手性光场调控和非对称、非互易传输机理等太赫兹物理问题的深入理解有重要意义，在此基础上，此类太赫兹磁光隔离器和偏振控制器对发展高效太赫兹传输系统、高功率太赫兹源和高灵敏太赫兹探测器件均有着重要价值。
该研究成果以“Linear-polarized Terahertz Isolator by Breaking the Gyro-Mirror Symmetry in Cascaded Magneto-Optical Metagrating”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Zhiyu Tan, Fei Fan, Dan Zhao, Shanshan Li, Xianghui Wang, Shengjiang Chang，其中前Zhiyu Tan（谭知雨）为第一作者，Fei Fan（范飞）副教授为通讯作者，隶属于南开大学现代光学研究所常胜江教授领导的太赫兹微结构功能器件团队。
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