[論文レビュー] Demonstration of broadband topological slow light

Fujia Chen, Haoran Xue+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、周期的共振器によってブリユアンゾーン内で複数回巻き付くよう設計されたキラル光子状態を形成し、平坦バンドを形成することで、光子的トポロジカル絶縁体において広帯域のトポロジカルな遅延光を実証した。その結果、トポロジカルバンドギャップ全体にわたり超低群速度が達成され、不純物に起因する逆散乱や減衰に対して耐性を持つ、強固な広帯域遅延光が実現された。

ABSTRACT

Slow-light devices are able to significantly enhance light-matter interaction due to the reduced group velocity of light, but a very low group velocity is usually achieved in a narrow bandwidth, accompanied by extreme sensitivity to imperfections that causes increased disorder-induced attenuation. Recent theories have suggested an ideal solution to this problem - unidirectional chiral photonic states, previously discovered in structures known as photonic topological insulators, not only resist backscattering from imperfections but can also be slowed down in the entire topological bandgap with multiple windings in the Brillouin zone. Here, we report on the experimental demonstration of broadband topological slow light in a photonic topological insulator. When coupled with periodic resonators that form flat bands, the chiral photonic states can wind many times around the Brillouin zone, achieving an ultra-low group velocity in the entire topological bandgap. This demonstration extends the scope of topological photonics into slow light engineering and opens a unique avenue in the dispersion manipulation of chiral photonic states.

研究の動機と目的

• 従来の遅延光デバイスの狭帯域性と不純物への感受性を克服すること。
• 光子系におけるトポロジカル保護を活用して、広帯域周波数範囲で強固な遅延光を実現すること。
• ブリユアンゾーン内で複数回巻き付くキラル光子状態を設計することで平坦バンドを実現し、群速度を低減すること。
• 実験的にトポロジカル保護が、顕著な減衰を伴わずに広帯域遅延光を実現できることを示すこと。
• キラル光子状態の分散工学的制御を活用し、トポロジカルフォトニクスを拡張すること。

提案手法

• 一方向性キラルエッジ状態を支持する光子的トポロジカル絶縁体構造の設計およびプロトタイピング。
• 周期的共振器を統合して平坦バンドを形成し、局在化を強化し、群速度を低減すること。
• ブリユアンゾーンを設計してキラル光子状態が複数回巻きつくようにし、広帯域スペクトルカバレッジを実現すること。
• トポロジカルバンドギャップの性質を活用して逆散乱および不純物に起因する損失を抑制すること。
• トポロジカルバンドギャップ全体にわたり群速度を測定し、広帯域遅延光性能を確認すること。
• 構造的不備を含む条件下でも遅延光効果の強固さを実験的に検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカル保護は、不純物への感受性が低く、広帯域遅延光を実現できるか？
• RQ2 キラル光子状態をどのように設計すれば、全バンドギャップにわたり超低群速度を達成できるか？
• RQ3 ブリユアンゾーン内でキラル状態を複数回巻き付けることで、遅延光帯域幅および効率がどの程度向上するか？
• RQ4 周期的共振器によって形成された平坦バンドは、群速度を顕著に低減しつつも、トポロジカル的強度を維持できるか？
• RQ5 実際のフォトニクスプラットフォームにおいて、トポロジカル遅延光の実現可能性と性能はいかがなものか？

主な発見

• 実験により、全トポロジカルバンドギャップにわたり超低群速度が達成され、広帯域遅延光が実証された。
• キラル光子状態はブリユアンゾーン内で複数回巻きつき、遅延光効果の広帯域カバレッジを実現した。
• 構造的不備が存在する状況下でも、群速度が低く保たれたことから、トポロジカル的強度が確認された。
• 周期的共振器によって形成された平坦バンドは、群速度を顕著に低減させ、光・物質相互作用を強化した。
• 測定された群速度は広帯域にわたり抑制され、この効果の広帯域性が確認された。
• 本実証により、トポロジカル保護が遅延光デバイスにおける不純物に起因する減衰を効果的に低減できることを示した。