Nonreciprocal Epsilon-Near-Zero-Dielectric Bilayers: Enhancement of Nonreciprocity from a Nonlinear Transparent Conducting Oxide Thin Film at Epsilon-Near-Zero Frequency

材料科学 氧化铟锡 激发 电介质 超短脉冲 光电子学 光子学 非线性系统 薄膜 透射率 光学 物理 凝聚态物理 激光器 纳米技术 量子力学
作者
Diego M. Solís,Nader Engheta
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:17 (3) 被引量:9
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.17.034053
摘要

We envision the use of an indium tin oxide (ITO) thin film as part of a bilayered silicon-photonics subwavelength device to boost nonlinearity-assisted all-passive and ultrafast nonreciprocal behavior. Asymmetric $p$-polarized oblique excitation of a mode near the epsilon-near-zero frequency, with a highly confined and enhanced normal electric field component and large absorption, allows one to harness the strong subpicosecond nonlinear response of ITO for the generation of notable nonreciprocal performance in an ultracompact two-port element. Although the results are limited by loss, we find the optimal operational point and the maximum attainable nonreciprocal transmittance ratio of the metasurface versus light intensity---including an apparent upper bound slightly over 2---and we perform exhaustive numerical simulations considering nonlinear processes of both anharmonic and thermal nature that validate our predictions, including steady-state and pulsed-laser excitation.

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