[论文解读] Direct Observation of Topological Edge States in Silicon Photonic Crystals: Spin, Dispersion, and Chiral Routing

Nikhil Parappurath, Filippo Alpeggiani+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文在电信波段实验展示了硅光子晶体中的拓扑边缘态，利用光子自旋-轨道耦合实现单向、抗背向散射的传播。通过直接观测与赝自旋相关的远场圆偏振特征，作者实现了对尖锐波导接头处边缘态的选择性激发与手性导引，测得的品质因数约为450，受限于本征辐射损耗。

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.

研究动机与目标

• 在电信波段实验演示绝缘体上硅光子晶体中的拓扑边缘态。
• 利用远场光谱和偏振测量表征这些边缘态的自旋、色散特性及手性导引行为。
• 建立边缘态赝自旋与其远场圆偏振之间的直接关联，以实现选择性激发。
• 测量拓扑边缘态的本征传播品质因数，并观察由于边缘对称性破缺引起的反交叉现象。

提出的方法

• 采用角度傅里叶空间光谱技术，绘制缩小和扩大的光子晶体晶格中体态与边缘态的色散关系。
• 利用傅里叶透镜和空间滤波器，从后焦平面中分离出边缘态的辐射光，以进行偏振分析。
• 通过四分之一波片和线性偏振片进行偏振层析测量，以测定反射光的斯托克斯参数。
• 在实空间成像中应用空间滤波，选择性收集边缘区域的光信号，最大限度减少体态贡献。
• 基于能带结构导数推导的有效哈密顿量，利用紧束缚模型计算边缘态色散与赝自旋。
• 通过求解拓扑不同区域界面处的连续性条件，重构边缘态分布与总偶极矩。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑边缘态的赝自旋如何编码于其远场辐射图案中？
• RQ2 能否基于其自旋-轨道耦合特征，利用偏振光选择性激发单向边缘态？
• RQ3 硅光子晶体中拓扑边缘态的本征传播品质因数是多少？
• RQ4 边缘缺陷或对称性破缺如何影响拓扑边缘模的耦合与色散特性？

主要发现

• 边缘态的远场圆偏振特性与其实现单向传播方向直接相关，证实了光子自旋-轨道耦合的存在。
• 边缘态表现出线性色散特性，测得的品质因数约为450，受限于辐射损耗。
• 通过左旋和右旋圆偏振输入光，成功实现了对相反方向边缘态的选择性激发。
• 实空间成像证实了边缘态在尖锐波导接头处的手性导引，且无背向散射现象。
• 由于晶格边缘的对称性破缺，实验观测到反向传播边缘模之间的反交叉现象。
• 从数值建模中得出的边缘态总偶极矩，与偏振层析测量得到的S3参数具有相关性。