Design af Dirac vortex topologiske fotoniske krystalfibre

Optiske fibre lavet af topologiske fotoniske krystaller tillader forbedret alsidighed og kontrol over de tilstande og polarisering af lys, de sender. Kompositionsmæssigt, fotoniske krystaller indeholder båndgab for at forhindre passage af lys i forhold til specifikke bølgeenergier og momenta meget ligesom en tænd/sluk-knap. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Nature Light:Videnskab og applikationer , Hao Lin, og Ling Lu ved Institut for Fysik ved det kinesiske videnskabsakademi transmitterede rent "single mode" lys over et stort frekvensområde via en topologisk funktion kendt som en "Dirac-hvirvel." Konceptet kan føre til applikationer, der transmitterer lyssignaler mere stabilt over lange afstande. Selvom arbejdet i øjeblikket er teoretisk, forskerne foreslår brugen af ​​fibre fremstillet af silica baseret på stack-and-draw-metoder eller tredimensionelle (3-D) printteknologier til at fremstille og teste disse teoretiske koncepter.

Forståelse af knudelinierne og Weyl-punkterne i en fotonisk krystalfiber.

Fotoniske krystalfibre er afhængige af den endeløse række af todimensionelle (2-D) krystaller for deres funktionalitet. Konceptet med topologisk fotonik baseret på robuste bølgeledere kan inspirere til nye fiberkoncepter, herunder udviklingen af ​​en envejsfiber inde i en magnetisk, 3-D fotonisk krystal. I dette arbejde, Lin og Lu introducerede en topologisk fotonisk krystalfiber (PCF), der ligner Dirac vortex-topologiske hulrum i dets tværsnit ved hjælp af 2-D fotoniske krystaller. Dirac vortex-fiberen er et ideelt design til at udvikle ultrabredbånds single-polarization single-mode (SPSM) fibre på grund af singlet-midt-gap-spredningen i båndgabet. Forskerne lettede fremstillingstrinnet ved at introducere et forenklet design af kun fire kapillære silicarør for endelig at opnå en oktavspændende SPSM.

Teamet begyndte med den mest almindelige fotoniske krystalfiber, en fotonisk silica -krystal med et trekantet gitter af lufthuller. Materialet indeholdt to knudepunkter med 2-D Dirac-punkter i Brillouin-zonen. Hvis de brød inversionssymmetrien af ​​den fotoniske krystalfiber ved at tilføje et ekstra lille lufthul ind i den primitive celle, hver nodal linje i konstruktionen kunne gabes i Weyl -punkter eller topologiske ladninger på materialet. Weyl-partikler er undvigende fermioniske partikler med forsvindende masse og findes ikke som en elementær partikel i naturen. De viser sig i stedet for at dukke op i faststofmaterialer, hvor 3-D-bånd kan udvikle en topologisk beskyttet punktlignende krydsning, kendt som et Weyl-punkt. Fotoniske Weyl-punkter kan realiseres i 3-D fotoniske krystaller med komplekse strukturer.

Den topologisk bundne tilstand, der er undersøgt i dette arbejde, kan også realiseres i honeycomb-gitre med skiftende enkelt- og dobbeltbindingsrepræsentationer af organiske forbindelser kendt som Kekulé-strukturer, opkaldt efter den tyske kemiker August Kekulé, som oprindeligt foreslog repræsentationen for at udvikle den organiske benzenforbindelse. Forskerne koblede derefter de to knudelinjer af Dirac-punkter i en forstørret supercelle og tilintetgjorde dem til et båndgab. Hver supercelle havde tre primitive celler mærket som et kunstigt 'atom' indeholdende tre stivere. De flyttede hvert atom i strukturen ved at flytte dets massecenter i en hvilken som helst retning ved at justere tykkelsen af ​​de tre stivere uden at ændre atomets samlede masse. Forskerne udviklede Kekulé-modulationer af gitterne og plottede deres tilsvarende båndstruktur.

Stabiliteten af ​​Dirac vortex fotoniske krystalfiber forblev i selve designet, da den tilsvarende topologiske defekt ikke blev dannet ved at tilføje eller fjerne materiale lokalt. Den topologiske defekt blev dannet ved forsigtigt at forstyrre hele gitteret for at skabe små lokale ufuldkommenheder. Et definerende topologisk træk ved Dirac-hvirvelfiberen var letheden ved at skabe flere næsten degenererede tilstande ved at øge viklingstallet - dvs. et heltal, der repræsenterer antallet af gange, som kurver bevæger sig mod uret omkring et punkt, af hvirvelen. I princippet, forskerne kan praktisk talt fremstille en kontinuerlig, single-mode eller multimode Dirac vortex fotoniske krystalfiber enten fra 3-D printede præforme (en form eller form), eller via stack-and-draw-metoden, der bruges til at udvikle optiske fibre med mere end hundrede rør med forskellige rørtykkelser. Imidlertid, ingen af ​​disse metoder var praktiske, derfor Lin og Lu et al. præsenteret en diskret version af fiberdesign.

Forskerne krævede kun fire rør for at stable og tegne Dirac vortex fotoniske krystalfiber, hvilket var meget rimeligt til fremstilling. De fire silicarør, der blev brugt i processen, havde samme ydre diameter for at opretholde gitteret, men forskellige indvendige diametre til modulering. Forskerne plottede den resulterende diskrete Dirac-hvirvelfiber og dens bundne struktur, hvor strukturel uensartethed var til stede ved seks identiske grænseflader. De bemærkede også tilstedeværelsen af ​​indeksstyrede tilstande i Dirac-hvirvelfiberen, der fandt sted overalt, hvor der var et skarpt lokalt maksimum af stivertykkelsen. Disse svarede til en lokal stigning i det effektive brydningsindeks. Forskerne bemærkede også fibertværsnittet med hvirvelstørrelsen og den tilsvarende båndstruktur.

Den fotoniske krystalfiber fra Dirac-hvirvelen med en endelig hvirveldiameter opretholdt en enkelt-polarisations-single-mode (SPSM). Lin og Lu et al. testet deres potentielle ydeevne i forhold til indespærringstabet, spredning og effektivt areal- og bøjningstab. De plottede tilstandene med det laveste indeslutningstab og noterede, at tabet af den topologiske tilstand var det laveste for hele bølgelængdeområdet over en oktav. Specifikationerne for Dirac vortex fotoniske krystalfiber, der er beskrevet her, svarede til dem i tidligere undersøgelser, selvom med den vigtigste forskel i en enkelt-polariseringstilstand, brugt i dette arbejde.

På denne måde Hao Lin og Ling Lu undersøgte numerisk Dirac vortex topologiske fotoniske krystalfiber i forhold til dens princip, konstruktion og potentiel ydeevne. De foreslog at udvikle denne fiber ved hjælp af standard stack-and-draw-processen ved hjælp af silicaglasrør eller 3-D-printede præforme. Metoden er fordelagtig sammenlignet med tidligere fibre på grund af dens evne til at styre et hvilket som helst antal næsten degenererede tilstande efter ønske. Single-mode-designet gav single-polarisering, single-mode fiber med en oktavbåndbredde for nemt at tune det effektive tilstandsområde ved at ændre hvirvelstørrelsen i materialet. Arbejdet foreslår at bruge fotoniske krystalfibre som en ny platform for topologisk fotonik.

© 2020 Science X Network