[論文レビュー] Nonlinear control of photonic higher-order topological bound states in the continuum

Zhichan Hu, Domenico Bongiovanni+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 51被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、レーザー加工により作製された2次元位相的トポロジカル格子における光子的高次位相的連続状態（BIC）の非線形制御を示している。焦点化および発散化の両方の非線形性を活用することで、著者らは位相的コーナーステート（BICとしても知られる）とエッジ状態との間の可変な結合を実証し、低強度では線形結合から高強度では非線形ソリトンの形成へと移行する。理論的計算により、非線形 Zak位相の類似物が得られ、これが能動的な位相的チューニングを確認した。

ABSTRACT

Higher-order topological insulators (HOTIs) are recently discovered topological phases, possessing symmetry-protected corner states with fractional charges. An unexpected connection between these states and the seemingly unrelated phenomenon of bound states in the continuum (BICs) was recently unveiled. When nonlinearity is added to a HOTI system, a number of fundamentally important questions arise. For example, how does nonlinearity couple higher-order topological BICs with the rest of the system, including continuum states? In fact, thus far BICs in nonlinear HOTIs have remained unexplored. Here, we demonstrate the interplay of nonlinearity, higher-order topology, and BICs in a photonic platform. We observe topological corner states which, serendipitously, are also BICs in a laser-written second-order topological lattice. We further demonstrate nonlinear coupling with edge states at a low nonlinearity, transitioning to solitons at a high nonlinearity. Theoretically, we calculate the analog of the Zak phase in the nonlinear regime, illustrating that a topological BIC can be actively tuned by both focusing and defocusing nonlinearities. Our studies are applicable to other nonlinear HOTI systems, with promising applications in emerging topology-driven devices.

研究の動機と目的

• 光子系における非線形性、高次位相的性質、および連続状態に束縛された状態（BIC）の相乗的相互作用を調査すること。
• 非線形性が、以前にBICとして同定された位相的コーナーステートと連続状態およびエッジ状態とをどのように結合するかを明らかにすること。
• 焦点化および発散化非線形性を用いて、位相的BICを能動的にチューニングすることを実証すること。
• 高次位相的トポロジカル系における非線形 Zak 位相の理論的枠組みを確立すること。
• 制御可能な非線形ダイナミクスを通じて、位相駆動型光子デバイスの新規応用を可能にすること。

提案手法

• 設計された結合強度を有するレーザー加工による波ガイド格子を用いた2次元光子的位相的絶縁体の実験的実現。
• 対称性保護により、同時にBIC特性を示す位相的コーナーステートの同定。
• 外部ポンプビームを用いた制御された光学的非線形性（焦点化および発散化）を導入し、系の応答を変調。
• 入力パワーを増加させることで、線形結合から非線形ソリトン形成へのモード遷移を測定。
• 非線形性下での位相的性質を特徴付けるために、非線形 Zak 位相の理論的導出。
• 数値シミュレーションおよび解析的モデル化により、非線形位相的状態の頑健性およびチューナビリティを確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形性は、高次位相的BICと周囲の連続状態およびエッジ状態との間の結合をどのように媒介するか？
• RQ2 高次位相的光子系における位相的BICは、非線形光学効果を用いて能動的にチューニング可能か？
• RQ3 対称性保護されたコーナーステート（同時にBICである）が存在する状況下で、非線形モード（例：ソリトン）の挙動はいかなるものか？
• RQ4 高次位相的トポロジカル系において非線形 Zak 位相はどのように変化し、非線形性下での位相的保護の性質を何を明らかにするか？
• RQ5 このような系において、線形エッジ状態結合から非線形ソリトン形成への遷移機構は何か？

主な発見

• レーザー加工された光子的格子における位相的コーナーステートが、実験的に連続状態に束縛された状態（BIC）として確認され、対称性保護により放射損失がゼロであることが示された。
• 低非線形性領域では、位相的コーナーBICとエッジ状態との間で結合が観測され、エネルギーの移動が確認された。
• 高非線形性領域では、位相的BICとエッジ状態の相互作用から生じる安定した自己閉じ込め非線形モード（ソリトン）が支持された。
• 非線形 Zak 位相の理論的計算により、焦点化および発散化非線形性の両方が、BICの位相的性質を能動的にチューニング可能であることが示された。
• 線形結合からソリトン形成への遷移は、実験的に観測され、数値的にも裏付けられ、頑健な非線形ダイナミクスであることが示された。
• 本研究の結果は、将来的なデバイス応用を想定した、他の非線形高次位相的トポロジカル絶縁体系に一般化可能な枠組みを確立した。