Direkte kvantificering af topologisk beskyttelse i fotoniske kanttilstande ved telekombølgelængder

Topologisk skræddersyede fotoniske krystaller (PhC) har åbnet muligheden for at opnå robust ensrettet transport af klassiske og kvante systemer. Kravet om hidtil usete styreegenskaber, der understøtter uhindret transport omkring ufuldkommenheder og skarpe hjørner ved telekombølgelængder, uden behov for nogen optimering, er grundlæggende for effektiv distribution af information gennem tætte on-chip fotoniske netværk. Imidlertid, transportegenskaber ved eksperimentelle realiseringer af sådanne topologisk ikke-trivielle tilstande er blevet udledt af transmissionsmålinger, og selvom robusthed er blevet bevist i de lineære og ikke-lineære regimer, dens nøjagtige kvantificering er stadig udfordrende.

I et nyt papir udgivet i Letvidenskab og applikationer , et team af forskere ledet af L. Kuipers fra Delft University of Technology og E. Verhagen fra AMOLF begge i Holland, rapporterer en streng robusthedsvurdering af fotoniske kantstater ved telekombølgelængder.

De fremstiller en dalen fotonisk krystal (VPC), der består af to ligesidet trekantede huller af forskellig størrelse pr. Celleenhed på en silicium-på-isolator platform. Båndstrukturen af ​​en domænevæg, der stammer fra to paritetsomvendte kopier af et sådant PhC-gitter, indeholder to degenererede kantstatens egenmoder med en lineær dispersion. Da disse tilstande ligger under lyslinjen, de kobler sig ikke til fjernfeltstråling og har derved ubetydelige strålingstab. Hver af disse kantstater har et unikt pseudospin, hvilket resulterer i en enkelt retning, hvor de optiske tilstande udbreder sig. En bemærkelsesværdig stor bredbåndstransmission, som forventet fra en topologisk beskyttet kanttilstand, blev målt. Ved visualisering af kantmodiens rumlige bølgefunktion med et faseopløst optisk nærfeltmikroskop målte forskerne med et højt signal-til-baggrund-forhold et eksperimentelt ekstraheret dispersionsdiagram. Teknikken tillod dem at adskille fremadgående lys fra tilbagegående bølger med ekstrem følsomhed og dermed udføre "lokal overvågning af tilbagespredning langs domænevæggen."

Forskerne supplerede yderligere deres kvantitative analyse ved at måle egenskaberne af en tilstand, der formerer sig langs en topologisk triviel standard W1 PhC -bølgeleder.

Teamet fandt ud af, at "I stærk kontrast til tilstanden frem og tilbage for en VPC, W1 -tilstandene viser et betydeligt tab på tværs af defekten. I øvrigt, det normaliserede bagudgående amplitudekort viser, at de dominerende refleksioner allerede forekommer ved det første 120 ° hjørne. Modeenergien her konverteres til en bagreflekteret bølge og oplever desuden spredning uden for planet ". Yderligere, for at få et komplet billede af tilbagespredningsbidraget, forskerne udviklede en overførselsmatrixmodel, som utvetydigt afslørede, at:

"Et topologisk beskyttet PhC-gitter reducerer den eksperimentelt opnåelige bagrefleksion fra individuelle skarpe hjørner med to størrelsesordener over hele frekvensområdet for kanttilstanden, i sammenligning med en standard W1 -bølgeleder. "