[論文レビュー] Manipulation of topological valley kink states in an ultrathin substrate-integrated photonic circuitry

Li Zhang, Yihao Yang+9 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、最小限の谷間散乱を伴う超薄型基板統合光回路で、実験的に設計された谷極性化トポロジカル・キンク状態を実証している。逆の谷ホール効果を示す光結晶間の境界形状を調整することにより、著者らは頑健で調整可能なエッジ輸送および不純物に左右されない波ガイドを実現し、高い透過率と低クロストークを有する新しい統合光デバイスの実現に貢献した。

ABSTRACT

Valley degrees of freedom, providing a novel way to increase the capacity and efficiency for information storage and processing, become an important instrumental for future photonics. However, due to the inter-valley scattering, current realizations of the topological valley kink states are restricted to zigzag boundaries, strongly limiting the development and applications of valley photonics. Besides, the previous topological photonic crystals suffer from either large thickness or insufficient electromagnetic shielding, leading to incompatibility with the standard integrated waveguide circuits. Here, we experimentally demonstrate the realization, engineering and manipulation of valley-polarized topological kink states at generic boundaries in an ultrathin substrate-integrated photonic circuitry with nearly negligible inter-valley scattering. Valley-resolved topological kink states are manipulated by tailoring the boundary geometry between two photonic crystals of opposite valley Hall effects, yielding tunable edge spectrum yet robust valley-polarized transport. Such salient properties can be exploited to design functional substrate-integrated photonic devices, such as disorder-immune waveguides with high transmission, robust photonic delay line, and geometry-dependent topological channel intersections. Our systematic study provides a new route for the manipulation of valley degrees of freedom in the substrate-integrated circuitry, and may work as a novel integration platform for information processing with disorder-insensitivity, easy access, and light weight.

研究の動機と目的

• 谷間散乱のため、トポロジカル谷キンク状態がズグリ境界に限定されるという制限を克服すること。
• 厚さと電磁シールドの問題に対処するため、標準的な波ガイド回路と互換性のある薄型統合光プラットフォームを開発すること。
• 設計された幾何形状を通じて、一般の境界での谷極性化状態の操作を可能にすること。
• 実用的な光デバイス統合に適した、高い透過率と不純物に対する耐性を有する頑健で調整可能なエッジ状態の実現

提案手法

• 逆の谷ホール効果を示す2つの光結晶を有する超薄型基板統合光回路の設計およびプロトタイピング。
• 2つの光結晶間の境界界面を設計して、トポロジカルキンク状態の形成を制御すること。
• 谷分解スペクトロスコピーおよび近接場イメージングを用いて、トポロジカルエッジ状態の特性とその頑健性を評価すること。
• 境界形状を調整することでエッジスペクトルを制御し、制御可能な谷極性化輸送を実現すること。
• 不純物および構造的不備の下でのシステム性能を検証し、頑健性を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の谷間散乱を伴う薄型統合光プラットフォームにおいて、一般の（ズグリでない）境界でトポロジカル谷キンク状態が安定化可能か？
• RQ2 2つの谷ホール光結晶間の境界形状が、トポロジカルエッジ状態の形成および調整可能性にどのように影響するか？
• RQ3 統合回路において、設計された谷極性化状態が不純物および構造的不備に対してどの程度頑健か？
• RQ4 このシステムは、コンactで軽量かつシールドされた構造において、高透過率・低クロストークの波ガイドおよび機能的光デバイスを実現可能か？

主な発見

• 最小限の谷間散乱を伴う超薄型基板統合光回路において、一般の境界でトポロジカル谷キンク状態が成功裏に実現された。
• 谷分解されたトポロジカルエッジ状態が実験的に観測され、不純物および構造的不備に対して頑健であることが示された。
• 逆の谷ホール効果を示す光結晶間の境界形状を設計することで、調整可能なエッジスペクトルが達成された。
• このプラットフォームは、高い透過率、不純物に左右されない波ガイドおよび低クロストークを実現でき、統合光回路に適した条件を満たした。
• 本システムは、光的遅延ラインや幾何形状依存のトポロジカルチャネル交差などの機能的コンponentsをサポートした。