[論文レビュー] Direct Observation of Topological Edge States in Silicon Photonic Crystals: Spin, Dispersion, and Chiral Routing

Nikhil Parappurath, Filippo Alpeggiani+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、光通信波長帯におけるシリコンフォトニクスクリスタルにおいて、トップولوجicalエッジ状態を実験的に示した。フォトニックスピン軌道結合を活用することで、一方向性でバックスキャッタリングに強く、単一方向に伝搬する状態を実現した。遠方場の円偏光シグネチャーを直接観測することで、擬スピンと関連した選択的励起とキラルルーティングを可能にし、測定された品質因子は~450であり、内在的放射損失によって制限されている。

ABSTRACT

Topological protection in photonics offers new prospects for guiding and manipulating classical and quantum information. The mechanism of spin-orbit coupling promises the emergence of edge states that are helical; exhibiting unidirectional propagation that is topologically protected against back-scattering. We directly observe the topological states of a photonic analogue of electronic materials exhibiting the quantum Spin Hall effect, living at the interface between two silicon photonic crystals with different topological order. Through the far-field radiation that is inherent to the states' existence we characterize their properties, including linear dispersion and low loss. Importantly, we find that the edge state pseudospin is encoded in unique circular far-field polarization and linked to unidirectional propagation, thus revealing a signature of the underlying photonic spin-orbit coupling. We use this connection to selectively excite different edge states with polarized light, and directly visualize their routing along sharp chiral waveguide junctions.

研究の動機と目的

• シリコンオンインサレータ（SOI）フォトニクスクリスタルにおいて、光通信波長帯でトップولوجカルエッジ状態を実験的に示すこと。
• 遠方場分光法および偏光計測法を用いて、これらのエッジ状態のスピン、分散関係、キラルルーティングを特徴付けること。
• エッジ状態の擬スピンとその遠方場における円偏光との直接的関連を確立し、選択的励起を可能とすること。
• 内在的伝搬品質因子を測定し、エッジ対称性の破れに起因する反クロスング現象を観測すること。

提案手法

• 縮小および拡張されたフォトニクスクリスタル格子におけるバルク状態およびエッジ状態の分散をマッピングするために、角度依存のフーリエ空間分光法を用いた。
• フォトニクスレンズと空間フィルタを用いて、バックフォーカル面からのエッジ状態の放射を分離し、偏光分析を実施した。
• 四分の波長板と線形偏光子を用いた偏光トモグラフィーにより、反射光のストークスパラメータを測定した。
• 実空間像の空間フィルタリングを適用し、エッジ領域からの光を特に選択的に収集することで、バルク成分の寄与を最小限に抑えた。
• バンド構造の微係数から導かれた有効ハミルトニアンを用いたタイトバインディングモデルにより、エッジ状態の分散および擬スピンを計算した。
• トポロジカルに異なる領域間の界面における連続条件を数値的に解き、エッジ状態のプロファイルおよび全電気双極モーメントを再構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップولوجカルエッジ状態の擬スピンは、その遠方場放射パターンにどのように符号化されているか？
• RQ2 スピン軌道結合の特徴に基づいて、偏光光を用いて一方向性エッジ状態を選択的に励起できるか？
• RQ3 シリコンフォトニクスクリスタルにおけるトップولوجカルエッジ状態の内在的伝搬品質因子は何か？
• RQ4 エッジ欠陥や対称性の破れは、トップォロジカルエッジモードの結合および分散関係にどのように影響するか？

主な発見

• エッジ状態の遠方場における円偏光は、その一方向伝搬方向と直接相関しており、フォトニックスピン軌道結合の存在を裏付けた。
• エッジ状態は線形分散を示し、測定された品質因子は約450であり、放射損失によって制限されている。
• 左回りおよび右回りの円偏光入射光を用いることで、互いに反対方向のエッジ状態の選択的励起が達成された。
• 実空間像の観測により、バックスキャッタリングを伴わず、鋭い波ガイド接合部に沿ったキラルルーティングが確認された。
• クリスタル端の対称性破れに起因し、反対方向に伝搬するエッジモード間の反クロスングが実験的に観測された。
• 数値モデリングにより導かれたエッジ状態の全電気双極モーメントは、偏光トモグラフィーで測定されたS3パラメータと相関していた。