[논문 리뷰] Manipulation of topological valley kink states in an ultrathin substrate-integrated photonic circuitry

Li Zhang, Yihao Yang외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 10.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 최소한의 간섭-밸리 산란을 갖는 초박막 기반 통합 광학 회로에서 실험적으로 설계된, 밸리-편극화된 위상적 키넥 상태를 구현한다. 서로 다른 밸리 홀 효과를 갖는 광학 격자 간의 경계 기하학을 조절함으로써 저자들은 강력하고 조절 가능한 표면 전도 및 불순물에 민감하지 않은 파장 유도를 달성하였으며, 높은 전송률과 낮은 다중성 간섭을 갖는 새로운 통합 광학 장치의 가능성을 열어 놓았다.

ABSTRACT

Valley degrees of freedom, providing a novel way to increase the capacity and efficiency for information storage and processing, become an important instrumental for future photonics. However, due to the inter-valley scattering, current realizations of the topological valley kink states are restricted to zigzag boundaries, strongly limiting the development and applications of valley photonics. Besides, the previous topological photonic crystals suffer from either large thickness or insufficient electromagnetic shielding, leading to incompatibility with the standard integrated waveguide circuits. Here, we experimentally demonstrate the realization, engineering and manipulation of valley-polarized topological kink states at generic boundaries in an ultrathin substrate-integrated photonic circuitry with nearly negligible inter-valley scattering. Valley-resolved topological kink states are manipulated by tailoring the boundary geometry between two photonic crystals of opposite valley Hall effects, yielding tunable edge spectrum yet robust valley-polarized transport. Such salient properties can be exploited to design functional substrate-integrated photonic devices, such as disorder-immune waveguides with high transmission, robust photonic delay line, and geometry-dependent topological channel intersections. Our systematic study provides a new route for the manipulation of valley degrees of freedom in the substrate-integrated circuitry, and may work as a novel integration platform for information processing with disorder-insensitivity, easy access, and light weight.

연구 동기 및 목표

• 간섭-밸리 산란으로 인해 위상적 밸리 키넥 상태가 절단 경계에 국한되는 문제를 해결하기 위해.
• 두께와 전자기 차폐 문제를 해결하기 위해 표준 파장 유도 회로와 호환되는 얇고 통합된 광학 플랫폼을 개발하기 위해.
• 공학적으로 설계된 기하학을 통해 일반 경계에서의 밸리-편극화 상태를 제어하기 위해.
• 실용적인 광학 장치 통합을 위해 높은 전송률과 불순물에 대한 저항성을 갖는 강력하고 조절 가능한 표면 상태를 제공하기 위해.

제안 방법

• 반대 방향의 밸리 홀 효과를 갖는 두 광학 격자를 포함한 초박막 기반 통합 광학 회로의 설계 및 제작.
• 서로 다른 밸리 홀 효과를 갖는 광학 격자 간의 경계 인터페이스를 공학적으로 조절하여 위상적 키넥 상태의 형성을 제어.
• 위상적 표면 상태의 특성과 그 강성에 대해 밸리 해상도 스펙트로스코피 및 근거리 영상 촬영을 활용.
• 경계 기하학을 조절하여 표면 스펙트럼을 제어하고 조절 가능한 밸리-편극화 전도를 달성.
• 불순물 및 구조적 결함 조건에서의 시스템 성능을 검증하여 강성 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 간섭-밸리 산란을 갖는 얇고 통합된 광학 플랫폼에서 일반(비-점프) 경계에서 위상적 밸리 키넥 상태가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 두 개의 밸리-홀 광학 격자 간의 경계 기하학이 위상적 표면 상태의 형성과 조절 가능성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 통합 회로에서 불순물 및 구조적 결함에 대해 공학적으로 설계된 밸리-편극화 상태가 얼마나 강력한가?
• RQ4 이 시스템은 컴act하고 경량이며 차폐된 아키텍처에서 높은 전송률, 낮은 다중성 간섭을 갖는 파장 유도 및 기능성 광학 구성 요소를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 최소한의 간섭-밸리 산란을 갖는 초박막 기반 통합 광학 회로에서 일반 경계에서 위상적 밸리 키넥 상태가 성공적으로 실현되었다.
• 밸리 해상도 위상적 표면 상태가 실험적으로 관측되었으며, 불순물 및 구조적 결함에 대해 강력함이 입증되었다.
• 반대 방향의 밸리 홀 효과를 갖는 광학 격자 간의 경계 기하학을 공학적으로 조절함으로써 조절 가능한 표면 스펙트럼이 달성되었다.
• 이 플랫폼은 높은 전송률, 불순물에 저항하는 파장 유도 및 낮은 다중성 간섭을 가능하게 하여 통합 광학 회로에 적합하다.
• 시스템은 광학 지연선 및 기하학적 의존성 위상적 채널 교차점과 같은 기능성 구성 요소를 지원한다.