[논문 리뷰] Topological photonic integrated circuits based on valley kink states

Jingwen Ma, Xiang Xi외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 10.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 서로 다른 위상적 밸리 상이 있는 광학 격자에서 밸리 키넥 상태를 이용하여 위상적 광학 집적 회로를 구현한다. 이러한 상이한 위상적 밸리 상 사이의 도메인 벽에서, 강건하고 후방산란이 없는 밸리 키넥 상태는 위상적 파장유도, 루팅, 공진 및 굴절을 가능하게 하며, 특히 교차점에서 놀라운 방식으로 빛을 갈라지는 등, 밸리 편광된 광자를 포함한 다양한 기능을 실현한다.

ABSTRACT

Valley pseudospin, a new degree of freedom in photonic lattices, provides an intriguing way to manipulate photons and enhance the robustness of optical networks. Here we experimentally demonstrated topological waveguiding, refracting, resonating, and routing of valley-polarized photons in integrated circuits. Specifically, we show that at the domain wall between photonic crystals of different topological valley phases, there exists a topologically protected valley kink state that is backscattering-free at sharp bends and terminals. We further harnessed these valley kink states for constructing high-Q topological photonic crystal cavities with tortuously shaped cavity geometries. We also demonstrated a novel optical routing scheme at an intersection of multiple valley kink states, where light splits counterintuitively due to the valley pseudospin of photons. These results will not only lead to robust optical communication and signal processing, but also open the door for fundamental research of topological photonics in areas such as lasing, quantum photon-pair generation, and optomechanics.

연구 동기 및 목표

• 신호 무결성을 향상시키기 위해 위상적 보호를 활용하는 강건한 광학 집적 회로를 개발하는 것.
• 광학 격자 내에서 광자 운반을 제어하기 위한 새로운 자유도로 밸리 허위스핀을 활용하는 것.
• 서로 다른 위상적 밸리 상을 가진 광학 격자 간의 도메인 벽에서 밸리 키넥 상태를 이용한 위상적 파장유도, 루팅 및 공진을 구현하는 것.
• 밸리 키넥 상태를 활용하여 복잡한 비표준 기하학적 형태를 가진 고-Q 공진자 구현하는 것.
• 교차점에서 광자가 밸리 허위스핀의 영향을 받아 비직관적인 방식으로 갈라지는 새로운 광학적 루팅 메커니즘을 탐색하는 것.

제안 방법

• 서로 다른 위상적 밸리 상을 가진 광학 격자를 설계하여, 밸리 키넥 상태가 나타나는 도메인 벽을 형성하는 것.
• 밸리 허위스핀을 이용해 광자의 전파를 제어함으로써 위상적으로 보호된 운반을 가능하게 하는 것.
• 강한 후방산란에 대한 면역성을 시험하기 위해 날카러운 굽힘과 단자 구조를 가진 집적 회로를 설계 및 제작하는 것.
• 비전통적이고 비틀린 기하학적 형태를 가진 고-Q 위상적 광학 격자 공진자 구조를 밸리 키넥 상태를 이용해 구성하는 것.
• 다중 상태 교차점에서 광자가 밸리 허위스핀에 의해 제어되는 새로운 광학적 루팅 방식을 실험적으로 구현하는 것.
• 단일 집적 플랫폼에서 파장유도, 굴절, 공진 및 루팅 기능의 실험적 검증을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서로 다른 위상적 밸리 상을 가진 광학 격자 간의 도메인 벽에서 밸리 키넥 상태가 날카로운 굽힘과 단자에서도 후방산란 없이 빛을 전파시킬 수 있는가?
• RQ2 밸리 키넥 상태를 어떻게 활용하여 복잡하고 비전통적인 기하학적 형태를 가진 고-Q 위상적 광학 격자 공진자를 만들 수 있는가?
• RQ3 밸리 허위스핀을 이용해 교차점에서 빛이 비전통적인 방식으로 갈라지는 비직관적인 광학적 루팅을 실현할 수 있는가?
• RQ4 밸리 키넥 상태는 구조적 결함이 존재하는 상황에서도 광학 집적 회로의 강건성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 밸리 키넥 상태를 기반으로 한 위상적 광학 집적 회로의 실용적 한계와 성능 지표(예: Q 인자, 전송 효율)는 무엇인가?

주요 결과

• 서로 다른 위상적 밸리 상을 가진 광학 격자 간의 도메인 벽에서 발생하는 밸리 키넥 상태는 날카로운 굽힘과 단자에서도 후방산란 없이 전파되는 것으로 확인되었다.
• 밸리 키넥 상태를 활용하여 비틀린 기하학적 형태를 가진 고-Q 위상적 광학 격자 공진자를 실현하였으며, 이는 향상된 빛의 봉쇄를 가능하게 하였다.
• 다중 밸리 키넥 상태가 교차하는 지점에서 광자가 밸리 허위스핀의 영향을 받아 비직관적인 방식으로 갈라지는 새로운 광학적 루팅 방식이 실험적으로 입증되었다.
• 실험 결과는 단일 집적 회로 플랫폼에서 밸리 편광된 광자를 대상으로 한 강건한 위상적 파장유도, 굴절, 공진 및 루팅 기능이 성공적으로 실현되었음을 확인하였다.
• 제시된 시스템은 위상적 보호를 통해 기본적인 광학적 기능을 지원하며, 강건한 광학 통신 및 신호 처리 분야의 응용 가능성을 열어주었다.