Giant Faraday rotation in high- Q all-dielectric magneto-optical metasurfaces embedded in photonic crystal cavities

法拉第效应 光子晶体 电介质 材料科学 光学 光电子学 旋转(数学) 磁电机 光子学 光隔离器 物理 磁场 光纤 量子力学 几何学 功率(物理) 数学
作者
Weiwei Yang,Shuang Xia,Tianchi Zhang,Jialong Wang,Zixuan Wei,Hanbin Wang,Yiqin Chen,Y. Zhou,Jun Qin,Aimin Hu,Yingli Liu,Longjiang Deng,Lei Bi
出处
期刊:Photonics Research [The Optical Society]
卷期号:13 (12): 3499-3499
标识
DOI:10.1364/prj.567660
摘要

The pursuit of high-efficiency and ultrathin magneto-optical devices remains a critical challenge in modern integrated photonics, particularly for developing compact nonreciprocal devices essential for optical isolation and quantum information processing. While all-dielectric magneto-optical metasurfaces, which show strong light–matter interaction and lower optical loss, have been demonstrated to enhance magneto-optical effects, the absolute Faraday rotation value achieved thus far remains insufficient for practical applications. Here, we report a hybrid structure that synergistically combines dielectric metasurfaces with photonic crystal to overcome these limitations. By introducing Mie resonators and magneto-optical films as defect layers into a one-dimensional photonic crystal, 60% transmittance and giant Faraday rotation ( θ F =41°) at 1468.93 nm with an ultrahigh quality factor ( Q >10 5 ) can be achieved simultaneously. The extraordinarily large Faraday rotation originates from the coupling between a waveguide mode in the photonic crystal and the electric quadrupolar mode of Mie resonators. Our work establishes, to our knowledge, a new design paradigm for magneto-optical and active photonic devices, opening avenues for free-space optical isolators, magnetically tunable metasurfaces, and quantum photonic interface applications.

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