[论文解读] Experimental demonstration of valley-Hall topological photonic crystal at telecommunication wavelengths

Mikhail I. Shalaev, Wiktor Walasik+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文通过CMOS兼容工艺在硅基材料上实验演示了谷霍尔拓扑光子晶体板，实现了在通信波长（1550 nm）下鲁棒、抗背向散射的光传输。该结构采用具有C3对称性的光子晶体，通过引入非对称三角形孔洞打破反演对称性，打开带隙，从而实现拓扑保护的边缘态，使光在锐角弯曲处无阻碍传输。

ABSTRACT

Photonic topological insulators provide unprecedented possibilities to eliminate scattering losses and improve the efficiency of optical communication systems. Despite significant theoretical efforts, the experimental demonstration of an integrated photonic topological insulator operating in the telecommunication regime was still missing. Here, we design, fabricate and characterize a photonic-crystal-based topological structure that exhibits valley-Hall effect. We experimentally demonstrate the propagation of topologically protected edge states in a CMOS-compatible chip operating at telecommunication wavelengths. This contribution is an important step towards integrated topological photonics.

研究动机与目标

• 实现一种在通信波长下运行的拓扑保护光子系统，以实现低损耗光传输。
• 设计一种CMOS兼容的光子晶体板，通过结构非对称性实现谷霍尔效应。
• 实验验证在尖锐缺陷处具有抗背向散射特性的拓扑边缘态。
• 在芯片集成光子平台上实现无散射光传输。

提出的方法

• 设计具有C6对称性的硅光子晶体板，通过每个晶胞中使用两个尺寸不同的三角形空气孔将其破坏为C3对称性。
• 利用湿法刻蚀在绝缘体上硅（SOI）衬底上制造该结构，以悬挂膜形式形成空气-硅-空气对称结构。
• 使用有限元时域（FDTD）模拟方法建模能带结构和边缘态传输，采用硅的有效折射率。
• 通过飞秒激光源、薄膜分束器、偏振器和基于相机的成像技术进行实验表征，以检测边缘态的传输特性。
• 测量三种样品类型的透射谱：无边缘、直线界面和梯形界面，以测试拓扑鲁棒性。
• 将实验结果与FDTD模拟进行对比，以验证边缘态的存在及其保护机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMOS兼容的光子晶体板是否能在通信波长下支持谷霍尔拓扑边缘态？
• RQ2 当边缘态在界面处传播至锐角弯曲时，其拓扑鲁棒性是否依然保持？
• RQ3 当缺陷不引起谷间散射时，界面处的透射是否对背向散射具有免疫性？
• RQ4 能否在1550 nm波长下实验观测到介质光子晶体中的谷霍尔效应？

主要发现

• 所制备的光子晶体板在约1420–1510 nm波段表现出带隙，证实了由结构非对称性诱导的拓扑相变。
• 在具有相反极性晶体界面的样品中，带隙区域内观察到高透射率，证实了拓扑保护边缘态的存在。
• 直线界面与梯形界面的透射率几乎相同，表明其对锐角弯曲处的散射具有免疫性。
• 采用二维FDTD模拟结合有效折射率近似方法，其数值结果与实验结果高度一致，验证了拓扑保护机制。
• 较低的绝对透射率值归因于耦合损耗和光子晶体尺寸不足，因为边缘态局域宽度超过21个晶胞的结构尺寸。
• 本工作首次在CMOS兼容平台上实现了在通信波长下谷霍尔拓扑传输的实验演示。