[논문 리뷰] Experimental demonstration of valley-Hall topological photonic crystal at telecommunication wavelengths

Mikhail I. Shalaev, Wiktor Walasik외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 19.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 통신 파장(1550 nm)에서 저손실 광 전송을 위한 고체 상태 광학 시스템을 실현하고자 하며, CMOS 호환 공정을 통해 실리콘에서 제작된 밸리-홀 위상적 광결정 슬립을 실험적으로 입증한다. 이는 후방산산에 강인한 빛 전파를 가능하게 하며, 비대칭 삼각형 구멍을 가진 C3 대칭 광결정을 이용해 반전 대칭성을 깨뜨려 금속간 격자 간격을 열고, 위상적으로 보호된 표면 상태를 형성하여 날카러운 굽이에서 빛이 방해 없이 전파됨을 보여준다.

ABSTRACT

Photonic topological insulators provide unprecedented possibilities to eliminate scattering losses and improve the efficiency of optical communication systems. Despite significant theoretical efforts, the experimental demonstration of an integrated photonic topological insulator operating in the telecommunication regime was still missing. Here, we design, fabricate and characterize a photonic-crystal-based topological structure that exhibits valley-Hall effect. We experimentally demonstrate the propagation of topologically protected edge states in a CMOS-compatible chip operating at telecommunication wavelengths. This contribution is an important step towards integrated topological photonics.

연구 동기 및 목표

• 통신 파장에서 작동하는 위상적으로 보호된 광학 시스템을 실현하기 위해.
• 구조적 비대칭성을 통해 밸리-홀 효과를 지원하는 CMOS 호환 광결정 슬립을 설계하기 위해.
• 날카로운 결함에서 후방산산에 강인한 표면 상태의 전파를 실험적으로 검증하기 위해.
• 칩 통합 광학 플랫폼에서 산란 없이 빛 전파를 구현하기 위해.

제안 방법

• C6 대칭 광결정 슬립을 설계한 후, 각 격자 단위에 서로 다른 크기의 삼각형 공기 구멍을 사용하여 C3 대칭으로 변형시킨다.
• 습식 에칭을 이용해 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼에 구조를 제작하여 막대를 매달아 공기-실리콘-공기 대칭 구조를 형성한다.
• 유한 차분 시간 영역(FDTD) 시뮬레이션을 통해 밴드 구조 및 표면 상태 전파를 모델링하고, 실리콘의 등效 굴절률을 사용한다.
• 페미초크 레이저 소스, 펠리클 분할기, 편광판 및 카메라 기반 영상 기술을 사용해 표면 상태 전파를 탐지하는 실험적 특성 분석을 수행한다.
• 표면 상태의 위상적 강인성을 테스트하기 위해 세 가지 샘플 유형(경계 없음, 직선 경계, 사다리꼴 경계)의 투과 스펙트럼을 측정한다.
• 실험 결과를 FDTD 시뮬레이션과 비교하여 표면 상태의 존재성과 보호 메커니즘을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 호환 광결정 슬립이 통신 파장에서 밸리-홀 위상적 표면 상태를 지속적으로 지원할 수 있는가?
• RQ2 경계에서 날카로운 굽이를 통과할 때 위상적 표면 상태가 여전히 강인한가?
• RQ3 상태 간 전이가 일어나지 않는 결함으로 인한 후방산산에 대해 전파가 간섭을 받지 않는가?
• RQ4 1550 nm에서 유전체 광결정에서 밸리-홀 효과를 실험적으로 관찰할 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 광결정 슬립은 약 1420–1510 nm 범위의 금속간 격자 간격을 나타내어, 구조적 비대칭성에 의해 유도된 위상 전이를 확인한다.
• 반대 극성의 결정 간 경계가 있는 샘플에서 금속간 격자 간격 내에서 높은 투과도가 관측되어 위상적으로 보호된 표면 상태의 존재를 확인한다.
• 직선 및 사다리꼴 경계에서의 투과도는 거의 동일하여 날카로운 굽이에서의 산란에 강인함을 보여준다.
• 효용 굴절률 근사법을 사용한 2차원 FDTD 수치 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 양호한 일치를 보였으며, 위상적 보호 메커니즘을 검증한다.
• 낮은 절대 투과도는 커플링 손실과 PC 크기 부족으로 인한 것으로 기인되었으며, 표면 상태가 21개의 격자 단위를 초월해 국소화되어 있기 때문이다.
• 이 작업은 통신 파장에서 CMOS 호환 플랫폼을 사용한 밸리-홀 위상적 전파의 첫 실험적 입증을 제공한다.