Topologisk indstillet terahertz på en ikke-lineær fotonisk chip

Eksperimentel realisering af topologisk styret THz lokalisering. (a) Illustration af ikke-lineær generering og indeslutning af THz-bølger i en SSH-type mikrostruktur. LN-strukturen gennemgår en overgang fra L-LD, gennem ækvidistante, til S-SD-regioner langs +z-aksen, illustreret med farver skygget fra orange til blå. Polariseringen af det elektriske THz-felt og den af den optiske pumpestråle er langs hele retningen af den LN-krystallinske akse (z-aksen). (b) Mikroskopbillede af LN-array-strukturen fremstillet ved fs-laserskrivning. Tykkelsen af LN-chippen er 50 μm i y-retningen. Den samlede længde af mikrostrukturen langs z-retningen er L=6mm. d1 og d2 er afstandene mellem tilstødende LN-striber svarende til henholdsvis koblingskoefficienterne c1 og c2. Ved den stiplede gule linje er z = L/2 og d1 = d2 = 55 μm, hvilket fører til en ækvidistant struktur. Kredit:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7

Kompakte terahertz-funktionelle enheder er yderst nyttige til trådløs højhastighedskommunikation, biokemisk registrering og ikke-destruktiv inspektion. Imidlertid er kontrolleret terahertz-generering sammen med transport og detektion en udfordring for chip-skala-enheder på grund af lav koblingseffektivitet og absorptionstab. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Nature:Light Science &Applications , Jiayi Wang, Shiai Xia og Ride Wang og et team af forskere inden for fysik, biofysik og ikke-lineær fotonik ved Nankai University, Kina og INRS-ENT, Canada, genererede ikke-lineær og topologisk afstemt indeslutning af terahertzbølger i et konstrueret lithiumniobat chip. Holdet målte eksperimentelt båndstrukturerne for at give direkte visualisering af terahertz-lokaliseringen i momentumrummet. Resultaterne giver nye muligheder for at realisere terahertz integrerede kredsløb til avancerede fotoniske applikationer.

Tuning af terahertz på en fotonisk lithiumniobatchip

Udviklingen af pålidelig terahertz-teknologi er primært drevet af en høj efterspørgsel efter applikationer, herunder trådløs kommunikation

signalbehandling og biosensing, samt ikke-destruktiv evaluering. Manglen på integrerede funktionelle enheder i terahertz-serien har dog begrænset deres applikationer, og det er udfordrende at styre terahertz-bølgelængder på grund af tab som følge af kritiske træk ved spektret. Forskere har ført en enorm indsats for at udforske forskellige designs og tilgange til terahertz-kilder via en række forskellige platforme, herunder metamaterialer, ikke-lineære metasurfaces, plasmoniske bølger og bølgeblanding i ioniske krystaller og tidsdomæne-integration af terahertz-impulser.

I dette arbejde foreslog og udviklede Wang et al et skema til ikke-lineær generering og topologisk afstemt indeslutning af terahertz-bølger for fuldt ud at realisere fænomenet på en enkelt lithiumniobat fotonisk chip. Processen var afhængig af en fotonisk mikrostruktur indeholdende lithiumniobatbølgelederstriber, der kunne gennemgå topologisk trivielle og ikke-trivielle overgange. Holdet brugte femtosekund-laser-skriveteknologi til at udvikle konstruktionen med en topologisk defekt på den centrale grænseflade. De målte terahertz-feltet via pumpe-probe-eksperiment for at vise tunbar indeslutning langs chippen i forhold til variationen af geometrien af den fotoniske struktur. Resultaterne gav en klar indikation af terahertz-bølge indeslutning som et resultat af topologisk beskyttelse.

Egenværdier og repræsentative egenmodefordelinger i den SSH-type LN topologiske struktur. (a) Beregnet egenværdifordeling af mikrostrukturen langs z-aksen. Den gule linje repræsenterer den ækvidistante struktur ved z = L/2 (d1 = d2 = 55 μm), som markerer faseovergangspunktet. Den venstre side af den gule linje (z < L/2) er L-LD-regionen, hvor topologiske defekttilstande er angivet med røde prikker. Den højre side (z > L/2) angiver S-SD-regionen, hvor topologisk ikke-trivielle og trivielle defekttilstande er markeret med henholdsvis grønne og blå prikker. Grå prikker repræsenterer bulk-tilstande. b1 Topologisk defekttilstand omkring 0,3 THz i L-LD-strukturen ved z = 0. b2 Tilstanden omkring 0,3 THz i den ækvidistante struktur ved z = L/2. b3, b4 Topologisk triviel tilstand omkring 0,42 THz (b3) og ikke-triviel tilstand omkring 0,3 THz (b4) i S-SD-strukturen ved z = L. Kredit:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7

Terahertz-generering på en chip

I fysik er en standardteknik til terahertz-bølgegenerering baseret på optisk ensretning, der kan induceres via femtosekund-laserimpulser i andenordens ikke-lineære krystaller. I de sidste fire årtier havde forskere udviklet en række metoder til at forbedre terahertz-genereringseffektiviteten, aktivere en smal terahertz-båndbredde og reducere frekvenshenfaldet i lithiumniobatkrystaller. Forskere havde også genereret afstembare terahertz-impulser i ikke-lineære lithiumniobatkrystaller via ultrakorte laserimpulser. Hurtige forbedringer på området har ført til nye metoder til THZ-bølge lokalisering og indeslutninger. Wang et al brugte et fotonisk gitter af Su-Schrieffer-Heeger-gittertypen på en lithiumniobat-chip for at opnå afstembar topologisk terahertz-bølgelokalisering. Gitteret gav en prototypisk topologisk model med udbredte demonstrationer inden for fotonik og plasmonik. Sådanne modeller var tidligere anvendelige til at generere robuste, sammenfiltrede fotonpar, for at forbedre ikke-lineær harmonisk generering, realisere topologisk lasering og ikke-hermitiske topologiske tilstande, bortset fra terahertz-bølgelængderegimet.

For at realisere den foreslåede terahertz-feltmanipulation udførte Wang et al en række eksperimenter med en typisk pumpe-sonde-opsætning. Under eksperimenterne brugte holdet en femtosekund-pumpestråle til at generere terahertz-bølger, der begrænsede de udviklende bølger i chippen i stedet for fri plads. Holdet udvidede ordningen til at omfatte integrerede topologiske kredsløb i kompakte terahertz-enheder. De detekterede bølgerne ved at bruge en tidsopløst billeddannelsesmetode, baseret på en fasekontrastbilleddannelsesmetode til at overvåge brydningsindeksændringen induceret af terahertz-bølger. Resultaterne indikerede en topologisk defekt, som stemte godt overens med beregningerne. Resultaterne viste tydeligt, hvordan de genererede terahertz-bølger kan være stærkt begrænset i nærheden af konstruktionens centerdefekt, væk fra overgangspunktet. Wang et al bekræftede resultaterne med numeriske simuleringer, som var i god overensstemmelse.

Eksperimentelle (øverste to rækker) og numeriske (nederste to rækker) demonstrationer af topologisk kontrolleret THz-indeslutning i LN-chippen fra L-LD, gennem ækvidistante, til S-SD-regioner af det kileformede SSH-fotoniske gitter. (a–e) svarer til steder (A–E) markeret i fig. 1b. a1–e1 Målte spektre ved de tilsvarende positioner. a2–e2 Energifordeling af tilstandene, der viser forskellig indeslutning af de genererede THz-bølger i LN-chippen. a3–e3 Simulerede x−t-diagrammer, der viser THz-bølgernes udvikling i forskellige områder, hvor a4–e4 er de tilsvarende spektre. Gitterstederne er illustreret med hvide flueben i a3-e3, og a in (a1, a4) er gitterkonstanten for den tilsvarende L-LD-struktur. Kredit:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7

Distinction between topologically nontrivial and trivial defect modes under chiral perturbations. (a1) Calculation of the eigenvalue distribution ε under 500 sets of off-diagonal perturbations in the L-LD structure. The red dots (forming a line) represent the eigenvalues associated to the topological mode and the gray dots show the distribution of the bulk modes. (a2) Simulation of the x−t diagram for the central defect excitation under perturbations. (a3) The corresponding spectrum of (a2). b1–b3 have the same layout as (a1–a3) but for the S-SD structure, where green and blue dots denote nontrivial and trivial defect modes, respectively. c Plot of p versus perturbation strength ξ, where p=nbulk/nall, with nbulk defined as the number of perturbation sets that result in coupling of the trivial defect mode with the bulk modes and nall as the total number of perturbation sets (in this case nall=500). Red and green lines illustrate the nontrivial modes in the L-LD and S-SD structures, respectively, while the blue line is for the trivial defect mode in the S-SD structure. Credit:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7

Outlook

In this way, Jiayi Wang, Shiai Xia and Ride Wang developed a scheme for nonlinear generation of topologically tuned terahertz wave confinement on a single photonic chip. The theory was in good agreement with the experimental observations to substantiate the distinctive features of terahertz topological states. The work provides a flexible and convenient platform to tune the confinement and topological properties of terahertz waves on demand, to open new avenues to implement versatile, stable and compact terahertz photonic integrated circuits, for a variety of applications, including future topology-driven photonic technology. + Udforsk yderligere

Researchers develop broadband spintronic-metasurface terahertz emitters with tunable chirality

Sidste artikelEn ny dualitet løser et fysikmysterium

Næste artikelBrug af laserteknologi til at måle rotationsafkølingen af molekylære ioner, der kolliderer med elektroner