[論文レビュー] Multifrequency and multimode topological waveguides in a Stampfli-triangle photonic crystal with large valley Chern numbers

Bei Yan, Yiwei Peng+10 more|Figshare|Apr 29, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、大がいなバルク・チェルン数を有する Stampfli-三角格子光誘電体超格子を用いた多周波数・多モードトポロジカル波ガイドの提案を行う。これにより、低周波数モード2本と高周波数モード4本の同時伝送が可能となる。逆のバルク・チェルン数を持つ領域を有するZ字型波ガイドを用いて、周波数および位置選択的励起を実験的に示し、高容量トポロジカル伝送を実現するとともに、統合フォトニクス向け周波数依存多モードビームスプリッターの提案を行う。

ABSTRACT

The multifrequency quantum valley Hall effect (QVHE) with a large valley Chern number has been realized to significantly improve the transmission capacity of topological waveguides and increase the mode density of topological waveguides. However, multifrequency and multimode QVHEs have not been realized simultaneously. In this work, using tight-binding model calculations and numerical simulations, a valley photonic crystal (VPC) consisting of a Stampfli-triangle photonic crystal is constructed, and its multiple degeneracies in the low-frequency and high-frequency bands split simultaneously to realize the QVHE with multiple topological edge states (TESs). The multifrequency and multimode topological transmission with two low-frequency modes and four high-frequency modes is realized by means of simulations and experiments through a Z-shaped waveguide constructed using two VPCs with opposite valley Chern numbers to prove the realization of a large valley Chern number in the two frequency bands. The two low-frequency modes are successfully distinguished with position-dependent selective excitations, which experimentally demonstrates the occurrence of a large valley Chern number. A frequency-dependent multimode beam splitter is theoretically proposed for high-performance integrated photonic device applications. These results provide new ideas for high-efficiency and high-capacity optical transmission and communication devices and their integration; furthermore, they broaden the application range of TESs.

研究の動機と目的

• 光誘電体超格子において、多重周波数および多重モードのトポロジカルエッジ状態を同時に実現し、伝送容量を向上させること。
• Stampfli-三角格子構造を用いて、低周波数帯および高周波数帯の両方で大きなバルク・チェルン数を実現すること。
• 位置および周波数依存励起を用いて、実験的に区別可能なトポロジカルエッジ状態を実証すること。
• 高性能統合フォトニクス応用を想定した周波数選択的多モードビームスプリッターを提案すること。

提案手法

• エンジニアリングされたサブ波長サイズの誘電構造を有する Stampfli-三角格子に基づくバルク光誘電体超格子（VPC）の構築。
• バンドデゲネラシーの解析とトポロジカル性の予測に、タイトバインディングモデル計算の活用。
• 逆のバルク・チェルン数を持つ2つのVPCを接合して形成されたZ字型波ガイドの数値シミュレーション。これにより、トポロジカルエッジ状態の伝送を実現。
• 低周波数トポロジカルエッジ状態の区別を可能にする位置依存選択的励起の実装。
• 実装された波ガイド構造における多周波数・多モードトポロジカル伝送の実験的検証。
• 観測されたトポロジカルモード multiplexing を基盤として、周波数依存多モードビームスプリッターの理論的提案。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光誘電体超格子は、大がいなバルク・チェルン数を有する複数周波数帯域のトポロジカルエッジ状態を支持できるか？
• RQ2 単一の波ガイド構造において、多周波数・多モードトポロジカル伝送をどのように実験的に実現できるか？
• RQ3 異なる周波数および位置に存在するトポロジカルエッジ状態は、選択的に励起され、区別可能か？
• RQ4 バルク・チェルン数が高容量トポロジカル波ガイドにどのように寄与するか？
• RQ5 トポロジカルモード multiplexing は、統合フォトニクスデバイス設計にどのように活用できるか？

主な発見

• 位置選択的励起を用いて、2本の低周波数トポロジカルエッジ状態が実験的に解明され、大がいなバルク・チェルン数の存在が裏付けられた。
• Z字型波ガイド内で、高周波数帯域で4本のトポロジカルエッジ状態が同時に観測され、高周波数帯での多モード伝送が実証された。
• Z字型波ガイド構造は、トポロジカル保護を有する低周波数および高周波数モードを効果的にガイドした。シミュレーションおよび実験により、その有効性が検証された。
• 観測されたトポロジカルエッジ状態は、構造的不規則性に対しても頑健な伝送を示し、そのトポロジカル性が確認された。
• 観測されたトポロジカルモード multiplexing を基盤として、周波数依存多モードビームスプリッターの理論的フレームワークが提案された。
• 本研究により、単一の光誘電体超格子プラットフォーム上での多周波数トポロジカル波ガイドを用いたモード密度および伝送容量の顕著な向上が実証された。