[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文通过实验实现了在超薄、基底集成的光子电路中，具有最小谷间散射的谷极化拓扑扭结态。通过调节具有相反谷霍尔效应的光子晶体之间的边界几何结构，作者实现了鲁棒、可调谐的边缘传输和抗 disorder 的波导传输，从而为具有高透射率和低串扰的新型集成光子器件铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 克服拓扑谷扭结态受限于锯齿形边界的问题，原因在于谷间散射。
• 开发一种与标准波导电路兼容的薄型集成光子平台，解决厚度和电磁屏蔽问题。
• 通过工程化几何结构，在通用边界上实现对谷极化态的操控。
• 展示具有高透射率和抗干扰能力的鲁棒、可调谐边缘态，以实现实际光子器件的集成。

提出的方法

• 设计并制造一种超薄基底集成光子电路，其中包含两种表现出相反谷霍尔效应的光子晶体。
• 通过工程化调控两种光子晶体之间的界面边界，以控制拓扑扭结态的形成。
• 利用谷分辨光谱学和近场成像技术表征拓扑边缘态及其鲁棒性。
• 通过调节边界几何结构，操控边缘能谱，实现可控的谷极化输运。
• 在存在 disorder 和结构缺陷的情况下验证系统性能，以确认其鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在厚度薄、集成化的光子平台上，是否可以实现具有最小谷间散射的通用（非锯齿形）边界上的拓扑谷扭结态？
• RQ2 两种谷霍尔光子晶体之间的边界几何结构在多大程度上影响拓扑边缘态的形成与可调谐性？
• RQ3 在集成电路中，工程化设计的谷极化态对 disorder 和结构缺陷的鲁棒性如何？
• RQ4 该系统是否能够在紧凑、轻量化且具备屏蔽能力的架构中，支持高透射率、低串扰的波导传输和功能化的光子组件？

主要发现

• 在超薄基底集成光子电路中，成功实现了在通用边界上的拓扑谷扭结态，谷间散射可忽略不计。
• 实验观测到谷分辨的拓扑边缘态，且其对 disorder 和结构缺陷表现出鲁棒性。
• 通过调控具有相反谷霍尔效应的光子晶体之间的边界几何结构，实现了可调谐的边缘能谱。
• 该平台实现了高透射率、抗 disorder 的波导传输，串扰低，适用于集成光子电路。
• 该系统支持功能组件，如光子延迟线和依赖几何结构的拓扑通道交叉。