[論文レビュー] Modeling the optical properties of Twisted Bilayer Photonic Crystals

Haoning Tang, Fan Du+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Photonic Crystals and Applications参考文献 40被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、メチルメタクリレートをトンネル層として用いた2枚の結晶シリコンフォトニック結晶スラブを用い、ねじれ角が魔法の角度であることで、超平坦なフォトリックバンドと極めて遅い光を実現するフォトニック版ねじれ二重グラフェンを提案している。有限要素法を用いた数値シミュレーションにより、線形周期的系において群速度がほぼゼロに近く、光の局在化が発生することが明らかになった。また、ナノスケールの非線形およびスーパー放射性デバイス設計に適した、可変なバンド構造が得られる。

ABSTRACT

We demonstrate a photonic analog of twisted bilayer graphene that has ultra-flat photonic bands and exhibits extreme slow light behavior. Our twisted bilayer photonic device, which has an operating wavelength in C-band of the telecom window, uses two crystalline silicon photonic crystal slabs separated by a methyl methacrylate tunneling layer. We numerically determine the magic angle using a finite-element method and the corresponding photonic band structure, which exhibits a flat band over the entire Brillouin zone. This flat band causes the group velocity to approach zero and introduces light localization in a linear periodic photonic system. Using a plane-wave continuum model we find that photonic modes in twisted bilayer photonic crystals are not as tightly bound as their electronic counterparts in twisted bilayer graphene. In addition, the photonic system has a larger band asymmetry. The band structure can easily be engineered by adjusting the device geometry, giving significant freedom in the design of devices. Our work provides a fundamental understanding of the photonic properties of twisted bilayer photonic crystals and opens the door to nanoscale-based non-linear enhancement and superradiance.

研究の動機と目的

• 可変な光学的性質を有するねじれ二重グラフェンのフォトニックアナログを開発すること。
• 線形周期的フォトリック系において、超平坦なフォトリックバンドと極めて遅い光を実現すること。
• 全ブリユアンゾーンにわたり平坦バンドを生成する「魔法のねじれ角」を特定すること。
• フォトリック系と電子系のねじれ二重層系におけるモード束縛とバンド非対称性の違いを分析すること。
• 幾何的チューニングによるフォトリックバンド構造の設計の柔軟性を示すこと。

提案手法

• 有限要素法（FEM）を用いて、平坦バンド形成に適した魔法のねじれ角を数値的に特定した。
• メチルメタクリル酸エステルをトンネル層として用いた2枚の結晶シリコンスラブで構成される二重層系のフォトリックバンド構造を計算した。
• 平面波連続体モデルを用いて、ねじれ二重グラフェンにおける電子モードとフォトリックモードの束縛度を比較した。
• システムは通信窓のCバンドで動作し、実用的なフォトリックデバイス統合を可能にした。
• フォトニック結晶スラブの幾何的パラメータを調整することでバンド構造工学を実現した。
• 群速度を計算して遅い光の挙動を定量的に評価した。平坦バンド領域では群速度がゼロに近づくことが明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのねじれ角が二重フォトニック結晶系において超平坦なフォトリックバンドを生成するか？
• RQ2 この系におけるフォトリックバンド構造は、ねじれ二重グラフェンにおけるモード束縛と非対称性の観点から、どのように異なるか？
• RQ3 このデバイスの幾何的チューニングによって、フォトリックバンド構造をどの程度制御できるか？
• RQ4 平坦バンド領域における光の局在度と群速度の低下度合いはどの程度か？
• RQ5 光-物質相互作用が強化されることにより、この系は非線形光学効果、例えばスーパー放射性を支持できるか？

主な発見

• 有限要素法を用いた数値的解析により、魔法のねじれ角が特定され、全ブリユアンゾーンにわたり平坦なフォトリックバンドが得られた。
• 平坦バンド領域では群速度がゼロに近づき、極めて遅い光の挙動が示された。
• 非線形性や無秩序性を必要としない線形周期的フォトリック系においても、光の局在化が実現された。
• フォトリックモードは、ねじれ二重グラフェンにおける電子モードと比較して、やや緩い束縛度であり、より顕著なバンド非対称性を示した。
• 幾何的パラメータの調整によりフォトリックバンド構造が顕著にチューニング可能であり、柔軟なデバイス設計が可能となった。
• システムは通信窓のCバンドで動作し、統合フォトニクスおよび非線形光学分野への応用を支援した。