[논문 리뷰] Multifrequency and multimode topological waveguides in a Stampfli-triangle photonic crystal with large valley Chern numbers

Bei Yan, Yiwei Peng외 10명|Figshare|2021. 04. 29.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 대규모 골짜기 초전도수준을 가진 Stampfli-삼각형 광학 결정에서 다주파수 및 다모드(topological) 파동가로를 제안하며, 저주파수 2개와 고주파수 4개의 동시에 전송 가능한 위상 경계 상태를 가능하게 한다. 반대 골짜기 초전도수준 영역을 가진 Z형 파동가로를 사용하여 저자들은 주파수 및 위치 선택적 자극을 실험적으로 구현하였으며, 고용량 위상 전송을 달성하고 통합 광학 소자에 적합한 주파수 의존 다모드 분할기를 제안한다.

ABSTRACT

The multifrequency quantum valley Hall effect (QVHE) with a large valley Chern number has been realized to significantly improve the transmission capacity of topological waveguides and increase the mode density of topological waveguides. However, multifrequency and multimode QVHEs have not been realized simultaneously. In this work, using tight-binding model calculations and numerical simulations, a valley photonic crystal (VPC) consisting of a Stampfli-triangle photonic crystal is constructed, and its multiple degeneracies in the low-frequency and high-frequency bands split simultaneously to realize the QVHE with multiple topological edge states (TESs). The multifrequency and multimode topological transmission with two low-frequency modes and four high-frequency modes is realized by means of simulations and experiments through a Z-shaped waveguide constructed using two VPCs with opposite valley Chern numbers to prove the realization of a large valley Chern number in the two frequency bands. The two low-frequency modes are successfully distinguished with position-dependent selective excitations, which experimentally demonstrates the occurrence of a large valley Chern number. A frequency-dependent multimode beam splitter is theoretically proposed for high-performance integrated photonic device applications. These results provide new ideas for high-efficiency and high-capacity optical transmission and communication devices and their integration; furthermore, they broaden the application range of TESs.

연구 동기 및 목표

• 광학 결정에서 다주파수 및 다모드 위상 경계 상태를 동시에 실현하여 전송 용량을 향상시키기.
• Stampfli-삼각형 격자 구조를 사용하여 저주파수 및 고주파수 대역에서 큰 골짜기 초전도수준을 실현하기.
• 위치 및 주파수 의존 자극을 통해 실험적으로 구별 가능한 위상 경계 상태를 입증하기.
• 고성능 통합 광학 응용을 위한 주파수 선택적 다모드 분할기를 제안하기.

제안 방법

• 공학된 마이크로스케일 유전체 구조를 가진 Stampfli-삼각형 격자 기반의 골짜기 광학 결정(VPC) 구축.
• 밴드 비퇴화 분석 및 위상 성질 예측을 위한 타이트 바인딩 모델 계산 사용.
• 반대 골짜기 초전도수준을 가진 두 개의 VPC를 조합하여 Z형 파동가로를 수치적으로 시뮬레이션하여 위상 경계 상태 전송 가능하게 하기.
• 저주파수 위상 경계 상태를 구별하기 위해 위치 의존 선택적 자극 구현.
• 제작된 파동가로 구조에서 다주파수 및 다모드 위상 전송의 실험적 검증.
• 관측된 위상 모드 multiplexing 기반의 이론적 주파수 의존 다모드 분할기 제안.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 결정은 대규모 골짜기 초전도수준을 가진 여러 주파수 대역에서 위상 경계 상태를 지닌다.
• RQ2 단일 파동가로 구조에서 다주파수 및 다모드 위상 전송을 실험적으로 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 다른 주파수 및 위치에 있는 위상 경계 상태는 선택적으로 자극되고 구별될 수 있는가?
• RQ4 골짜기 초전도수준은 고용량 위상 파동가로를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 위상 모드 multiplexing는 통합 광학 소자 설계에 어떻게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 위치 선택적 자극을 통해 저주파수 위상 경계 상태 2개를 실험적으로 분리하여 대규모 골짜기 초전도수준 존재를 확인하였다.
• Z형 파동가로에서 고주파수 위상 경계 상태 4개가 동시에 관측되어 고주파수 대역에서 다모드 전송을 입증하였다.
• Z형 파동가로 구조는 저주파수 및 고주파수 모드를 위상 보호와 함께 성공적으로 유도하였으며, 시뮬레이션 및 실험으로 검증되었다.
• 관측된 위상 경계 상태는 구조적 불순물에 대해 뛰어난 전송 안정성을 보이며 위상적 성질을 확인하였다.
• 위상 모드 multiplexing 기반의 이론적 프레임워크를 바탕으로 주파수 의존 다모드 분할기를 제안하였다.
• 이 연구는 단일 광학 결정 플랫폼에서 다주파수 위상 파동가로를 통해 모드 밀도와 전송 용량을 크게 향상시켰다.