[論文レビュー] Observation of strong backscattering in valley-Hall photonic topological interface modes

Christian Anker Rosiek, Guillermo Arregui+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2022

Advanced Optical Sensing Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高屈折率誘電体フォトニクスクリスタルを用いて、バルク・ハル・フォトニクストポロジカル界面モードにおけるバックスキャッタリングを調査した。理論的にはトポロジカル保護が予測されているが、実験では残留構造的不規則性によるアンドリューソン局在化によって強いバックスキャッタリングが観測され、通信波長帯における実用的フォトニクス素子におけるトポロジカル保護の有効性が損なわれている。

ABSTRACT

The unique properties of light underpin the visions of photonic quantum technologies, optical interconnects, and a wide range of novel sensors, but a key limiting factor today is losses due to either absorption or backscattering on defects. Recent developments in topological photonics have fostered the vision of backscattering-protected waveguides made from topological interface modes, but, surprisingly, measurements of their propagation losses were so far missing. Here we report on measurements of losses in the slow-light regime of valley-Hall topological waveguides and find no indications of topological protection against backscattering on ubiquitous structural defects. We image the light scattered out from the topological waveguides and find that the propagation losses are due to Anderson localization. The only photonic topological waveguides proposed for materials without intrinsic absorption in the optical domain are quantum spin-Hall and valley-Hall interface states, but the former exhibits strong out-of-plane losses, and our work therefore raises fundamental questions about the real-world value of topological protection in reciprocal photonics.

研究の動機と目的

• バルク・ホールフォトニクストポロジカル界面モードにおける遅い光状態の下での伝搬損失を実験的に測定すること。
• 実装されたフォトニクスクリスタル波ガイドにおける構造的欠陥に対して、トポロジカル保護がバックスキャッタリングを効果的に抑制するかを評価すること。
• 現実的なプロセス不具合下でのトポロジカル波ガイドにおける主要な損失メカニズムを特定すること。
• 低損失光インターフェースおよび量子フォトニクスデバイスに向けたトポロジカルフォトニクスの実用的実現可能性を評価すること。
• 同一の不規則性条件下で、トポロジカル波ガイドと従来のシリコン波ガイドの性能を比較すること。

提案手法

• 電子線リソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、高屈折率誘電体材料（SiN）を用いた平面フォトニクスクリスタル波ガイドをプロトタイピングした。
• 格子における逆転対称性の破壊を介してバルク・ハルトポロジカル界面を設計し、界面でトポロジカルエッジモードを励起した。
• 近場走査型光学顕微鏡（NSOM）を用いて散乱光をイメージングし、垂直方向への放射とバックスキャッタリングを定量した。
• 波ガイド長を変化させた（1250a₀および2500a₀）ことで、伝搬損失係数を抽出した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、単位セルレベルでの構造的不規則性（急角度曲げやランダムなずれ）を特徴付けた。
• 測定された損失と、特にコherentバックスキャッタリングおよびアンドリューソン局在化に注目した不規則性誘導局在化の理論的モデルを相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際のプロセス欠陥が存在する中で、バルク・ハル・フォトニクスクリスタル波ガイドにおけるトポロジカル保護がバックスキャッタリングを効果的に抑制するか？
• RQ2 遅い光状態下でのトポロジカル波ガイドにおける伝搬を制限する主要な損失メカニズムは何か？
• RQ3 類似した構造的不規則性を有する従来のフォトニクスクリスタル波ガイドと比較して、トポロジカル波ガイドの伝搬損失はどのように異なるか？
• RQ4 残留不規則性がトポロジカル界面モードにアンドリューソン局在化を引き起こす程度はどの程度か？
• RQ5 現在のプロセス公差のもとで、通信波長帯における統合フォトニクスデバイスにトポロジカル保護を実用的に実現できるか？

主な発見

• バルク・ハル・フォトニクストポロジカル波ガイドにおける伝搬損失は、吸収や垂直方向への放射ではなく、強いバックスキャッタリングに起因していることが判明した。
• 散乱光のイメージングにより、損失は残留構造的不規則性からのコherent多重バックスキャッタリングに起因するアンドリューソン局在化に起因していることが明らかになった。
• 透過測定の結果、トポロジカル保護は観測されず、損失係数は従来波ガイドと同等またはそれ以上であった。
• 意図的に導入された120°の急角度曲げ（意図的な欠陥）に対しても、トポロジカルバンド内での透過が抑制されず、このような摂動に対する耐性の欠如を示した。
• 波ガイド長が延長するにつれて損失が顕著に増加し、これは保護モードの想定される弱い依存性とは対照的に、不規則性に起因する指数関数的局在化と一致した。
• これらの結果は、バルク・ハル・トポロジカル界面モードが実用的フォトニクス統合回路においてバックスキャッタリングに対して実用的な耐性を有するという仮定を覆すものである。