Mod applikationer:ultra-low-loss on-chip nulindeksmaterialer

Et brydningsindeks på nul inducerer en bølgevektor med nulamplitude og udefineret retning. Derfor, lys, der formerer sig inde i et nulindeksmedium, akkumulerer ikke nogen rumlig faseforskydning, hvilket resulterer i perfekt rumlig sammenhæng. Sådan sammenhæng bringer flere potentielle anvendelser, herunder vilkårligt formede bølgeledere, fase-mismatch-fri ikke-lineær formering, single-mode lasere i stort område, og udvidet super udstråling. En lovende platform for at opnå disse applikationer er et integreret Dirac-cone-materiale, der har et impedans-matchet nulindeks. Imidlertid, selvom denne platform eliminerer ohmiske tab via sin rent dielektriske struktur, det medfører stadig strålingstab uden for flyet (ca. 1 dB/μm), at begrænse applikationerne til en lille skala.

I 2018, Professor Shanhui Fans forskningsgruppe ved Stanford University designede et lavt tab Dirac-cone zero-index materiale baseret på symmetribeskyttede bundne tilstande i kontinuum (BIC'er). Imidlertid, denne Dirac-kegle består af højordensindstillinger, det er således udfordrende at homogenisere den fotoniske krystalplade som et bulk-nulindeksmedium.

I et nyt papir udgivet i Letvidenskab og applikationer , et hold forskere, ledet af professor Yang Li fra Department of Precision Instrument ved Tsinghua University, Kina, Professor Eric Mazur fra John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ved Harvard University, USA, Professor Weiguo Chu fra Nanofabrication Laboratory på National Center for Nanoscience and Technology, Kina, og kolleger opnåede et nulindeksdesign baseret på en rent dielektrisk fotonisk krystalplade (PhC-plade). Dette design understøtter en utilsigtet Dirac-cone degeneration af en elektrisk monopolstilstand og en magnetisk dipoltilstand i midten af ​​Brillouin-zonen. Sådan lavordens modebaseret design kan bedre behandles som et homogent nulindeksmedium.

Deres design består af et firkantet udvalg af siliciumsøjler indlejret i siliciumdioxid -baggrundsmatrix, med en let fremstilling ved hjælp af standard plane processer. For at reducere strålingstabet, de modellerer top- og bundgrænsefladerne på en nulindeks PhC-plade som to delvist reflekterende spejle for at danne et Fabry-Pérot (FP) hulrum. Derefter, de justerer tykkelsen af ​​dette FP -hulrum for at forårsage destruktiv interferens af opadgående (nedadgående) strålinger i det fjerne felt. Inde i hver søjle, der er aksialt udbredende tilstand (er) med dipol symmetri, der viser en rundtur fase af et heltal multiplum af 2π, bliver derfor til resonansfængslede tilstande. Monopoltilstanden udstråler ikke i retning uden for flyet på grund af dens iboende tilstandssymmetri.

"Vores design udviser et in-plane spredningstab så lavt som 0,15 dB/mm ved nulindeksbølgelængden. Desuden er brydningsindekset er tæt på nul (| neff | <0,1) over en båndbredde på 4,9%, "Erklærede Tian Dong.

Til applikationer, Yueyang Liu forudsiger:"vores on-chip BIC Dirac-cone nulindeks PhC-plader giver en uendelig sammenhængslængde med lavt forplantningstab. Dette åbner døren for anvendelser af nulindeksmaterialer med stort område i lineær og ikke-lineær optik samt lasere. For eksempler, elektromagnetisk energitunnel gennem en bølgeleder med nulindeks med en vilkårlig form, ikke -lineær lysgenerering uden fase -mismatch over en lang interaktionslængde, og lasere over et stort område i en enkelt tilstand. "

"Dette arbejde kan også tjene som et on-chip-laboratorium til at udforske grundlæggende kvanteoptik såsom effektiv generering af sammenfiltrede fotonpar og kollektiv emission af mange emittere. Især fordi den rumlige fordeling af Ez i hver siliciumsøjle svinger mellem en monopolstilstand og en dipoltilstand, efterhånden som tiden går, alle kvanteemittere inden for søjlerne vil opleve den samme rumlige fase i monopolens halve cyklus. Dette letter betydeligt udfordringen med præcis placering af kvanteemittere i et fotonisk hulrum, "Tilføjede Yueyang Liu.