[논문 리뷰] Observation of strong backscattering in valley-Hall photonic topological interface modes

Christian Anker Rosiek, Guillermo Arregui외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 23.

Advanced Optical Sensing Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고유성율 유전체 광결정을 사용하여 밸리-홀 광학 토폴로지 표면 모드에서의 후방산산을 조사한다. 이론적으로는 토폴로지적 보호가 예측되었으나, 실험 결과 잔류 구조적 불규칙성에 의한 앤더슨 국소화로 인해 강한 후방산산이 발생하여 통신 파장에서 실세계 광기기에서 토폴로지적 보호의 실용적 유용성이 훼손됨을 보여준다.

ABSTRACT

The unique properties of light underpin the visions of photonic quantum technologies, optical interconnects, and a wide range of novel sensors, but a key limiting factor today is losses due to either absorption or backscattering on defects. Recent developments in topological photonics have fostered the vision of backscattering-protected waveguides made from topological interface modes, but, surprisingly, measurements of their propagation losses were so far missing. Here we report on measurements of losses in the slow-light regime of valley-Hall topological waveguides and find no indications of topological protection against backscattering on ubiquitous structural defects. We image the light scattered out from the topological waveguides and find that the propagation losses are due to Anderson localization. The only photonic topological waveguides proposed for materials without intrinsic absorption in the optical domain are quantum spin-Hall and valley-Hall interface states, but the former exhibits strong out-of-plane losses, and our work therefore raises fundamental questions about the real-world value of topological protection in reciprocal photonics.

연구 동기 및 목표

• 느린 빛 영역에서 밸리-홀 광학 토폴로지 표면 모드의 전파 손실을 실험적으로 측정하기.
• 제작된 광결정 웨이브가이드에서 구조적 결함이 있는 경우에 토폴로지적 보호가 후방산산을 효과적으로 억제하는지 평가하기.
• 실제 제조 불완전성 하에서 토폴로지 웨이브가이드의 주요 손실 메커니즘을 규명하기.
• 저손실 광학 인터커넥트 및 양자 광학 장치를 위한 토폴로지 광학의 실용적 가능성을 평가하기.
• 동일한 불규칙 조건 하에서 토폴로지 웨이브가이드와 기존 실리콘 웨이브가이드의 성능을 비교하기.

제안 방법

• 전자빔 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 통해 고유성율 유전체 재료(SiN)를 사용하여 평면 광결정 웨이브가이드를 제작하였다.
• 격자에서 역행성 대칭성을 깨뜨려 밸리-홀 토폴로지 표면을 설계하여 표면에서의 토폴로지 에지 모드를 가능하게 하였다.
• 근접장 스캐닝 광학 현미경(NSOM)을 사용하여 산산된 빛을 영상화하여 수직 방향 복사 및 후방산산을 정량화하였다.
• 다양한 길이(1250a₀ 및 2500a₀)의 웨이브가이드를 통해 전송 스펙트럼을 측정하여 전파 손실 계수를 추출하였다.
• 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하여 단위 세포 수준에서의 구조적 불규칙성, 즉 날카운 곡선과 무작위 이격을 특성화하였다.
• 측정된 손실을 불규칙성에 의한 국소화 이론 모델과 연관지어, 특히 간섭형 후방산산과 앤더슨 국소화에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 제조 결함이 존재하는 조건에서 밸리-홀 광결정 웨이브가이드의 토폴로지적 보호가 후방산산을 효과적으로 억제하는가?
• RQ2 느린 빛 조건에서 토폴로지 웨이브가이드의 전파를 제한하는 주요 손실 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 유사한 구조적 불규칙성이 있는 경우 토폴로지 웨이브가이드의 전파 손실은 기존 광결정 웨이브가이드와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 잔류 불규칙성이 토폴로지 표면 모드에서 앤더슨 국소화를 얼마나 강하게 유도하는가?
• RQ5 현재 제조 허용 오차 수준에서 통신 파장에서 통합 광기기에서 토폴로지적 보호를 실용적으로 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 밸리-홀 광학 토폴로지 웨이브가이드의 전파 손실은 흡수나 수직 방향 복사보다 강한 후방산산에 의해 지배됨을 발견하였다.
• 산산된 빛 영상 분석 결과, 잔류 구조적 불규칙성에 의한 간섭형 다중 후방산산으로 인한 앤더슨 국소화가 손실의 원인임을 규명하였다.
• 전송 측정 결과 토폴로지적 보호가 나타나지 않았으며, 손실 계수는 기존 웨이브가이드와 유사하거나 더 악화된 것으로 나타났다.
• 의도적으로 삽입된 120° 날카운 곡선—결함으로 간주됨—은 토폴로지 밴드에서 전송을 억제하지 못했으며, 이러한 교란에 대한 내성의 실패를 시사하였다.
• 웨이브가이드 길이가 증가함에 따라 손실이 크게 증가하였으며, 이는 불규칙성에 의한 지수적 국소화와 일치했고, 보호된 모드에서 예상되는 약한 의존성과는 다름을 보여주었다.
• 결과적으로, 밸리-홀 토폴로지 표면 모드가 실세계 광학 통합 회로에서 실용적인 후방산산 면역성을 제공한다는 가정을 도전한다.