[논문 리뷰] Modeling the optical properties of Twisted Bilayer Photonic Crystals

Haoning Tang, Fan Du외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 25.

Photonic Crystals and Applications참고 문헌 40인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 메틸메타크릴레이트 터널링 층으로 분리된 두 개의 결정질 실리콘 광학 격자 판을 사용하여 비틀어진 이중층 그래핀의 광학적 유사체를 제안한다. 이로 인해 마법의 비틀기 각도를 통해 초평탄한 광학 밴드와 극도로 느린 빛을 달성한다. 유한요소법을 사용한 수치 시뮬레이션은 선형 정현계수 광학 시스템에서 근처 0에 가까운 군속도와 빛의 국소화를 입증하며, 나노스케일 비선형 및 초광도 장치 설계를 위한 조절 가능한 밴드 구조를 제공한다.

ABSTRACT

We demonstrate a photonic analog of twisted bilayer graphene that has ultra-flat photonic bands and exhibits extreme slow light behavior. Our twisted bilayer photonic device, which has an operating wavelength in C-band of the telecom window, uses two crystalline silicon photonic crystal slabs separated by a methyl methacrylate tunneling layer. We numerically determine the magic angle using a finite-element method and the corresponding photonic band structure, which exhibits a flat band over the entire Brillouin zone. This flat band causes the group velocity to approach zero and introduces light localization in a linear periodic photonic system. Using a plane-wave continuum model we find that photonic modes in twisted bilayer photonic crystals are not as tightly bound as their electronic counterparts in twisted bilayer graphene. In addition, the photonic system has a larger band asymmetry. The band structure can easily be engineered by adjusting the device geometry, giving significant freedom in the design of devices. Our work provides a fundamental understanding of the photonic properties of twisted bilayer photonic crystals and opens the door to nanoscale-based non-linear enhancement and superradiance.

연구 동기 및 목표

• 조절 가능한 광학적 성질을 가진 비틀어진 이중층 그래핀의 광학 유사체를 개발하기 위해.
• 선형 정현계수 광학 시스템에서 초평탄한 광학 밴드와 극도로 느린 빛을 달성하기 위해.
• 브릴루앙 존 전역에서 평탄한 밴드를 생성하는 마법의 비틀기 각도를 규명하기 위해.
• 광학적 및 전자적 비틀어진 이중층 시스템 간의 모드 결속 및 밴드 비대칭성의 차이를 분석하기 위해.
• 기하학적 조절을 통해 광학 밴드 구조를 공학적으로 설계할 수 있는 유연성을 보여주기 위해.

제안 방법

• 초평탄한 밴드 형성에 적합한 마법의 비틀기 각도를 수치적으로 결정하기 위해 유한요소법(FEM)을 사용한다.
• 메틸메타크릴레이트 터널링 층으로 분리된 두 개의 결정질 실리콘 판으로 구성된 이중층 시스템의 광학 밴드 구조를 계산한다.
• 평면파 연속체 모델을 적용하여 비틀어진 이중층 그래핀의 전자 모드와 광학 모드의 결속 특성을 비교한다.
• 시스템은 통신 윈도우의 C밴드에서 작동하여 실용적인 광학 장치 통합을 가능하게 한다.
• 광학 격자 판의 기하학적 매개변수를 조절하여 밴드 구조 공학을 구현한다.
• 군속도를 계산하여 느린 빛 행동을 정량화하며, 평탄한 밴드 영역에서는 값이 0에 가까워진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 비틀기 각도가 이중층 광학 격자 시스템에서 초평탄한 광학 밴드를 생성하는가?
• RQ2 이 시스템의 광학 밴드 구조는 모드 결속 및 비대칭성 측면에서 비틀어진 이중층 그래핀의 것과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 장치의 기하학적 조절을 통해 광학 밴드 구조를 얼마나 정교하게 공학적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 평탄한 밴드 영역에서 빛의 국소화 정도와 군속도 감소 수준은 어느 정도인가?
• RQ5 강화된 빛-물질 상호작용로 인해 이 시스템이 비선형 광학 효과, 예를 들어 초광도를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 마법의 비틀기 각도는 유한요소법을 통해 수치적으로 결정되었으며, 이로 인해 브릴루앙 존 전역에서 평탄한 광학 밴드가 형성되었다.
• 평탄한 밴드 영역에서 군속도는 0에 가까워지며, 극도로 느린 빛 행동을 나타낸다.
• 비선형성이나 무질서가 필요 없이 선형 정현계수 광학 시스템에서도 빛의 국소화가 달성되었다.
• 광학 모드는 비틀어진 이중층 그래핀의 전자 모드보다 덜 단단히 결속되어 있으며, 더 큰 밴드 비대칭성을 보였다.
• 기하학적 조정을 통해 광학 밴드 구조가 매우 조절 가능하여 다양한 장치 설계의灵活性를 제공한다.
• 시스템은 통신 윈도우의 C밴드에서 작동하여 통합 광학 및 비선형 광학 응용을 지원한다.