[論文レビュー] Topological photonic integrated circuits based on valley kink states

Jingwen Ma, Xiang Xi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、異なるトポロジカルバルク・バルク相を有するフォトニクス結晶におけるバルクきん状態を用いて、トポロジカル光集積回路を実証している。これらの相の境界面では、頑健でバックスキャッタリングのないバルクきん状態が、バルク偏光光子のトポロジカル波ガイド、ルーティング、共鳴、屈折を可能にし、交差部での直感に反する光の分岐および複雑な幾何形状の高Qキャビティを含む。

ABSTRACT

Valley pseudospin, a new degree of freedom in photonic lattices, provides an intriguing way to manipulate photons and enhance the robustness of optical networks. Here we experimentally demonstrated topological waveguiding, refracting, resonating, and routing of valley-polarized photons in integrated circuits. Specifically, we show that at the domain wall between photonic crystals of different topological valley phases, there exists a topologically protected valley kink state that is backscattering-free at sharp bends and terminals. We further harnessed these valley kink states for constructing high-Q topological photonic crystal cavities with tortuously shaped cavity geometries. We also demonstrated a novel optical routing scheme at an intersection of multiple valley kink states, where light splits counterintuitively due to the valley pseudospin of photons. These results will not only lead to robust optical communication and signal processing, but also open the door for fundamental research of topological photonics in areas such as lasing, quantum photon-pair generation, and optomechanics.

研究の動機と目的

• 信号の整合性を向上させるために、トポロジカル保護を活用する頑健なフォトニクス集積回路の開発。
• フォトニクス格子内での光子輸送を制御する新しい自由度としてのバルク擬スピンの活用。
• 異なるトポロジカルバルク相を有するフォトニクス結晶の境界面におけるバルクきん状態を用いた、トポロジカル波ガイド、ルーティング、共鳴の実証。
• バルクきん状態を用いて、非伝統的でねじれの激しい幾何形状を持つ高品質因子（Q）キャビティの実現。
• 交差部におけるバルク擬スピンに起因して、直感に反する光の分岐を示す、新しい光学ルーティングメカニズムの探求。

提案手法

• 異なるトポロジカルバルク相を有するフォトニクス結晶を設計し、バルクきん状態が出現する境界面を形成。
• バルク擬スピンを用いて光子の伝搬を制御し、トポロジカル保護された輸送を実現。
• シャープな曲げ部と端子を備えた集積回路を設計・プロトタイピングし、バルクきん状態のバックスキャッタリング耐性を検証。
• 非伝統的でねじれの激しい幾何形状を持つ高Qトポロジカルフォトニクス結晶キャビティを、バルクきん状態を用いて構築。
• 複数のバルクきん状態が交差する節点で、光の分岐がバルク擬スピンに支配される新しい光学ルーティング方式を実証。
• 単一の集積プラットフォーム上で、波ガイド、屈折、共鳴、ルーティングの機能を実験的に検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるトポロジカルバルク相を有するフォトニクス結晶の境界面におけるバルクきん状態は、シャープな曲げ部でバックスキャッタリングのない光の伝搬を可能にするか？
• RQ2 バルクきん状態をどのように活用すれば、複雑で非伝統的な幾何形状を持つ高Qトポロジカルフォトニクス結晶キャビティを実現できるか？
• RQ3 バルク擬スピンを用いて、交差部で直感に反する光の分岐（非伝統的な方法での分岐）を実現できるか？
• RQ4 バルクきん状態は、構造的不確実性が存在する状況下でも、フォトニクス集積回路の頑健性をどの程度向上させるか？
• RQ5 バルクきん状態に基づくトポロジカルフォトニクス回路の実用的限界と性能指標（例：Q因子、透過効率）は何か？

主な発見

• 異なるトポロジカルバルク相を有するフォトニクス結晶の境界面に存在するバルクきん状態は、シャープな曲げ部および端子部においてもバックスキャッタリングのない伝搬を示す。
• バルクきん状態を用いて、ねじれの激しい幾何形状を持つ高Qトポロジカルフォトニクス結晶キャビティが実現され、光の閉じ込めが強化された。
• 複数のバルクきん状態が交差する節点で、光子のバルク擬スピンに起因して直感に反する光の分岐を示す新しい光学ルーティング方式が実証された。
• 実験結果により、単一の集積回路プラットフォーム上でバルク偏光光子の頑健なトポロジカル波ガイド、屈折、共鳴、ルーティングが確認された。
• 提示されたシステムは、トポロジカル保護を備えた基本的フォトニクス機能を実現し、頑健な光通信および信号処理への応用を可能にする。