Perfect single-sided radiation and absorption without mirrors

不对称 光学 物理 栅栏 光子晶体 辐射 光子学 吸收(声学) 激光器 功率分配器和定向耦合器 光电子学 量子力学
作者
Hengyun Zhou,Bo Zhen,Chia Wei Hsu,Owen D. Miller,Steven G. Johnson,John D. Joannopoulos,Marin Soljačić
出处
期刊:Optica [Optica Publishing Group]
卷期号:3 (10): 1079-1079 被引量:103
标识
DOI:10.1364/optica.3.001079
摘要

Highly directional radiation from photonic structures is important for many applications, including high-power photonic crystal surface-emitting lasers, grating couplers, and light detection and ranging devices. However, previous dielectric, few-layer designs only achieved moderate asymmetry ratios, and a fundamental understanding of bounds on asymmetric radiation from arbitrary structures is still lacking. Here in this paper, we show that breaking the 180° rotational symmetry of the structure is crucial for achieving highly asymmetric radiation. We develop a general temporal coupled-mode theory formalism to derive bounds on the asymmetric decay rates to the top and bottom of a photonic crystal slab for a resonance with arbitrary in-plane wavevector. Guided by this formalism, we show that infinite asymmetry is still achievable even without the need for back-reflection mirrors, and we provide numerical examples of designs that achieve asymmetry ratios exceeding 10<sup>4</sup>. The emission direction can also be rapidly switched from top to bottom by tuning the wavevector or frequency. Furthermore, we show that with the addition of weak material absorption loss, such structures can be used to achieve perfect absorption with single-sided illumination, even for single-pass material absorption rates less than 0.5% and without back-reflection mirrors. Our work provides new design principles for achieving highly directional radiation and perfect absorption in photonics.

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