[论文解读] Demonstration of broadband topological slow light

Fujia Chen, Haoran Xue+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文通过在布里渊区内设计具有多重绕行特性的手性光子态，并利用形成平坦能带的周期性谐振器，实现了光子拓扑绝缘体中的超宽带拓扑慢光。结果是在整个拓扑带隙内实现了超低群速度，从而实现了对无序引起的反向散射和衰减具有免疫能力的鲁棒、超宽带慢光。

ABSTRACT

Slow-light devices are able to significantly enhance light-matter interaction due to the reduced group velocity of light, but a very low group velocity is usually achieved in a narrow bandwidth, accompanied by extreme sensitivity to imperfections that causes increased disorder-induced attenuation. Recent theories have suggested an ideal solution to this problem - unidirectional chiral photonic states, previously discovered in structures known as photonic topological insulators, not only resist backscattering from imperfections but can also be slowed down in the entire topological bandgap with multiple windings in the Brillouin zone. Here, we report on the experimental demonstration of broadband topological slow light in a photonic topological insulator. When coupled with periodic resonators that form flat bands, the chiral photonic states can wind many times around the Brillouin zone, achieving an ultra-low group velocity in the entire topological bandgap. This demonstration extends the scope of topological photonics into slow light engineering and opens a unique avenue in the dispersion manipulation of chiral photonic states.

研究动机与目标

• 解决传统慢光器件带宽窄和对无序敏感的问题。
• 利用光子系统中的拓扑保护，实现在宽频率范围内的鲁棒慢光。
• 通过在布里渊区内设计具有多重绕行特性的手性光子态，实现平坦能带和降低群速度。
• 通过实验验证，拓扑保护可实现无显著衰减的超宽带慢光。
• 将拓扑光子学拓展至手性光子态的色散工程领域。

提出的方法

• 设计并制造一种支持单向手性边缘态的光子拓扑绝缘体结构。
• 集成周期性谐振器以形成平坦能带，增强局域化并降低群速度。
• 调控布里渊区，使手性光子态在布里渊区内实现多次绕行，从而实现广泛的光谱覆盖。
• 利用拓扑带隙特性抑制反向散射和无序引起的损耗。
• 测量拓扑带隙内群速度的变化，以确认超宽带慢光性能。
• 通过实验测试验证在结构缺陷下的慢光效应鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑保护是否能在光子系统中实现对无序不敏感的超宽带慢光？
• RQ2 如何设计手性光子态，以在完整带隙内实现超低群速度？
• RQ3 手性态在布里渊区内实现多次绕行在多大程度上可提升慢光的带宽和效率？
• RQ4 由周期性谐振器形成的平坦能带是否能显著降低群速度，同时保持拓扑鲁棒性？
• RQ5 在真实光子平台中，拓扑慢光的实验可行性及其性能如何？

主要发现

• 实验在完整拓扑带隙内实现了超低群速度，证明了超宽带慢光的实现。
• 手性光子态在布里渊区内表现出多次绕行，实现了慢光效应的广泛光谱覆盖。
• 即使在结构缺陷下，系统仍保持低群速度，证实了拓扑鲁棒性。
• 由周期性谐振器形成的平坦能带显著降低了群速度，增强了光与物质的相互作用。
• 测量显示群速度在宽频率范围内被有效抑制，证实了该效应的超宽带特性。
• 该演示表明，拓扑保护能有效缓解慢光器件中无序引起的衰减。