[논문 리뷰] Direct Observation of Topological Edge States in Silicon Photonic Crystals: Spin, Dispersion, and Chiral Routing

Nikhil Parappurath, Filippo Alpeggiani외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 26.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 통신 파장에서 실리콘 광결정 내에서 위상적 표면 상태를 실험적으로 입증하며, 광자 스핀-오르빗 결합을 활용해 한 방향성이고 반사 산란에 강건한 전파를 실현한다. 원거리 영역에서의 원형 편광 서명을 직접 관측함으로써 허구적 스핀을 기반으로 표면 상태를 선택적으로 자극하고 나선형 루팅을 구현하였으며, 측정된 품질 인자는 내재된 복사 손실로 인해 약 450으로 제한된다.

ABSTRACT

Topological protection in photonics offers new prospects for guiding and manipulating classical and quantum information. The mechanism of spin-orbit coupling promises the emergence of edge states that are helical; exhibiting unidirectional propagation that is topologically protected against back-scattering. We directly observe the topological states of a photonic analogue of electronic materials exhibiting the quantum Spin Hall effect, living at the interface between two silicon photonic crystals with different topological order. Through the far-field radiation that is inherent to the states' existence we characterize their properties, including linear dispersion and low loss. Importantly, we find that the edge state pseudospin is encoded in unique circular far-field polarization and linked to unidirectional propagation, thus revealing a signature of the underlying photonic spin-orbit coupling. We use this connection to selectively excite different edge states with polarized light, and directly visualize their routing along sharp chiral waveguide junctions.

연구 동기 및 목표

• 통신 파장에서 실리카 온 인슐레이터 광결정 내 위상적 표면 상태를 실험적으로 입증하는 것.
• 원거리 영역 스펙트로스코피 및 편광 측정을 통해 이러한 표면 상태의 스핀, 분산 및 나선형 루팅을 특성화하는 것.
• 표면 상태의 허구적 스핀과 그 원거리 영역 원형 편광 사이의 직접적 연관성을 확립하여 선택적 자극을 가능하게 하는 것.
• 내재된 전파 품질 인수를 측정하고 표면 대칭성 붕괴로 인한 반대칭 교차 현상을 관찰하는 것.

제안 방법

• 수축 및 확장된 광결정 격자를 갖는 시료에서 기체 및 표면 상태의 분산을 맵핑하기 위해 각도 기반 푸리에 공간 스펙트로스코피를 사용하였다.
• 표면 상태 복사광을 배후 초점 평면에서 분리하기 위해 푸리에 렌즈와 공간 필터를 사용하였다.
• 반사된 빛의 스튜어트 매개변수를 측정하기 위해 1/4파장판과 선형 편광판을 사용한 편광 토모그래피를 수행하였다.
• 실공간 영상에서 공간 필터링을 적용하여 표면 영역에서의 빛을 선택적으로 수집함으로써 기체 기여를 최소화하였다.
• 밴드 구조 도함수로부터 유도된 효과적 해밀토니안을 사용한 타이트 바인딩 모델을 통해 표면 상태 분산 및 허구적 스핀을 계산하였다.
• 위상적으로 다른 영역 간의 인터페이스에서 연속 조건을 수치적으로 해결하여 표면 상태 프로파일과 총 전기 dipole 모멘트를 재구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상적 표면 상태의 허구적 스핀은 그 원거리 영역 복사 패턴에 어떻게 표현되는가?
• RQ2 스핀-오르빗 결합 서명을 기반으로 한 편광된 빛을 사용하여 한 방향성 표면 상태를 선택적으로 자극할 수 있는가?
• RQ3 실리콘 광결정 내 위상적 표면 상태의 내재된 전파 품질 인수는 얼마인가?
• RQ4 표면 결함 또는 대칭성 붕괴는 위상적 표면 모드의 결합 및 분산에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표면 상태의 원거리 영역 원형 편광은 그 한 방향성 전파 방향과 직접적으로 상관되어 있으며, 광자 스핀-오르빗 결합의 존재를 확인한다.
• 표면 상태는 선형 분산를 나타내며, 복사 손실로 인해 약 450의 측정된 품질 인수를 보인다.
• 좌측 원형 편광 및 우측 원형 편광 입력 빛을 사용하여 반대 방향으로 표면 상태를 선택적으로 자극하였다.
• 실공간 영상 분석을 통해 반사 산란 없이 날카로운 웨이브가이드 접합을 따라 표면 상태가 나선형 루팅됨을 확인하였다.
• 결정 표면에서 대칭성 붕괴로 인해 반대 방향으로 전파되는 표면 모드 간에 반대칭 교차 현상이 실험적으로 관측되었다.
• 수치 모델링을 통해 유도된 표면 상태의 총 전기 dipole 모멘트는 편광 토모그래피에서 측정된 S3 매개변수와 상관이 있다.