[論文レビュー] Experimental demonstration of valley-Hall topological photonic crystal at telecommunication wavelengths

Mikhail I. Shalaev, Wiktor Walasik+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CMOSプロセスと互換性のあるプロセスで作製されたシリコンのバルク・ホールトポロジカル光結晶スラブを実験的に示しており、通信波長（1550 nm）におけるロバストでバックスキャッタリングに強く、光の伝搬を可能にしている。構造は、反転対称性を破るために非対称な三角形穴を用いたC3対称性の光結晶であり、バンドギャップを開放し、トポロジカルに保護されたエッジ状態を生成することで、急峻な曲がりでも光が妨げられることなく伝搬することを可能にしている。

ABSTRACT

Photonic topological insulators provide unprecedented possibilities to eliminate scattering losses and improve the efficiency of optical communication systems. Despite significant theoretical efforts, the experimental demonstration of an integrated photonic topological insulator operating in the telecommunication regime was still missing. Here, we design, fabricate and characterize a photonic-crystal-based topological structure that exhibits valley-Hall effect. We experimentally demonstrate the propagation of topologically protected edge states in a CMOS-compatible chip operating at telecommunication wavelengths. This contribution is an important step towards integrated topological photonics.

研究の動機と目的

• 通信波長帯で動作するロスの小さい光伝送を実現するトポロジカルに保護されたフォトニクス系の実現。
• 構造的非対称性を用いてバルク・ホール効果を支持するCMOSプロセスと互換性のあるフォトニクス結晶スラブの設計。
• 急峻な欠陥を伴う界面を通過する際にバックスキャッタリングに強く、光が伝搬するトポロジカルエッジ状態の実験的検証。
• チップ統合型フォトニクスプラットフォームにおける散乱のない光の伝搬の実証。

提案手法

• C6対称性のシリコンフォトニクス結晶スラブを設計し、単位セルごとに異なるサイズの三角形空孔を用いてC3対称性に破壊する。
• 湿式エッチングを用いてシリコンオンインシュレータ（SOI）ウェーハ上に膜を浮遊させ、空気-シリコン-空気の対称構造を形成することで、構造をプロセスする。
• 有限差分時間法（FDTD）を用いてバンド構造とエッジ状態の伝搬をモデル化し、シリコンの有効屈折率を用いる。
• フェムト秒レーザー光源、ペリクルビームスプリッタ、偏光子、カメラベースのイメージングを用いて、エッジ状態の伝送を検出する実験的特徴付けを実施する。
• 3種類のサンプル（エッジなし、直線的界面、台形界面）の透過スペクトルを測定し、トポロジカルなロバスト性をテストする。
• 実験結果とFDTDシミュレーションを比較することで、エッジ状態の存在と保護の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOSプロセスと互換性のあるフォトニクス結晶スラブは、通信波長帯でバルク・ホールトポロジカルエッジ状態を支持できるか？
• RQ2 界面の急峻な曲がりを通過する際に、トポロジカルエッジ状態はロバストに保たれるか？
• RQ3 バルク・スキャッタリングを誘発しない欠陥によって引き起こされるバックスキャッタリングに対して、界面を通過する透過は免疫を示すか？
• RQ4 1550 nmで、誘電体フォトニクス結晶においてバルク・ホール効果を実験的に観測できるか？

主な発見

• 作製されたフォトニクス結晶スラブは、約1420–1510 nmのバンドギャップを示し、構造的非対称性によって誘発されたトポロジカル相転移を確認した。
• 相反極性の結晶間の界面を有するサンプルにおいて、バンドギャップ領域で高い透過度が観測され、トポロジカルに保護されたエッジ状態の存在を確認した。
• 直線的界面および台形界面の両方で透過度がほぼ同一であったため、急峻な曲がりにおける散乱への免疫を示した。
• 有効屈折率近似を用いた2次元FDTDシミュレーションは、実験結果と良好に一致し、トポロジカル保護メカニズムの妥当性を検証した。
• 低い絶対透過度は、結合損失とPCサイズが不十分であることが原因であり、エッジ状態が21ユニットセル分の構造よりも広がった領域に局在化していたためである。
• 本研究は、通信波長帯で、CMOSプロセスと互換性のあるプラットフォームを用いたバルク・ホールトポロジカル伝搬の最初の実験的実証を提供した。