Poles and zeros in non-Hermitian systems: Application to photonics

零极点图 光子学 厄米矩阵 物理 复平面 传递函数 计算机科学 光学 数学 数学分析 量子力学 电气工程 工程类
作者
Felix Binkowski,Fridtjof Betz,Rémi Colom,Patrice Genevet,Sven Burger
出处
期刊:Physical review 卷期号:109 (4) 被引量:9
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.045414
摘要

Resonances are essential for understanding the interactions between light and matter in photonic systems. The real frequency response of the non-Hermitian systems depends on the complex-valued resonance frequencies, which are the poles of electromagnetic response functions. The zeros of the response functions are often used for designing devices since the zeros can be located close to the real axis, where they have significant impact on scattering properties. While methods are available to determine the locations of the poles, there is a lack of appropriate approaches to find the zeros in photonic systems. We present an approach to compute poles and zeros based on contour integration of electromagnetic quantities. This also allows to extract sensitivities with respect to geometrical or other parameters enabling efficient device design. The approach is applied to a topical example in nanophotonics, an illuminated metasurface, where the emergence of reflection zeros due to the underlying resonance poles is explored using residue-based modal expansions. The generality and simplicity of the theory allows straightforward transfer to other areas of physics. We expect that easy access to zeros will enable new computer-aided design methods in photonics and other fields.

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