[论文解读] Modeling the optical properties of Twisted Bilayer Photonic Crystals

Haoning Tang, Fan Du+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Photonic Crystals and Applications参考文献 40被引用 12

一句话总结

本文提出了一种基于两块晶硅光子晶体板通过甲基丙烯酸甲酯隧穿层分离的扭曲双层石墨烯光子模拟结构，利用魔法扭转角实现了超平坦光子能带和极端慢光。通过有限元方法的数值模拟显示，在线性周期系统中实现了接近零的群速度和光局域化，且能用于纳米尺度非线性和超辐射器件的设计。

ABSTRACT

We demonstrate a photonic analog of twisted bilayer graphene that has ultra-flat photonic bands and exhibits extreme slow light behavior. Our twisted bilayer photonic device, which has an operating wavelength in C-band of the telecom window, uses two crystalline silicon photonic crystal slabs separated by a methyl methacrylate tunneling layer. We numerically determine the magic angle using a finite-element method and the corresponding photonic band structure, which exhibits a flat band over the entire Brillouin zone. This flat band causes the group velocity to approach zero and introduces light localization in a linear periodic photonic system. Using a plane-wave continuum model we find that photonic modes in twisted bilayer photonic crystals are not as tightly bound as their electronic counterparts in twisted bilayer graphene. In addition, the photonic system has a larger band asymmetry. The band structure can easily be engineered by adjusting the device geometry, giving significant freedom in the design of devices. Our work provides a fundamental understanding of the photonic properties of twisted bilayer photonic crystals and opens the door to nanoscale-based non-linear enhancement and superradiance.

研究动机与目标

• 开发具有可调光学特性的扭曲双层石墨烯光子模拟结构。
• 在一种线性周期光子系统中实现超平坦光子能带和极端慢光。
• 确定能在整个布里渊区产生平坦能带的魔法扭转角。
• 分析光子与电子扭曲双层系统在模态束缚和能带不对称性方面的差异。
• 展示通过几何调控实现光子能带结构工程的设计灵活性。

提出的方法

• 使用有限元方法（FEM）数值求解平坦能带形成的魔法扭转角。
• 计算由两块晶硅板通过甲基丙烯酸甲酯隧穿层分隔的双层系统的光子能带结构。
• 应用平面波连续体模型，比较光子模态束缚与扭曲双层石墨烯中电子模态的异同。
• 系统工作在通信窗口的C波段，支持实际光子器件集成。
• 通过调节光子晶体板的几何参数实现能带结构工程。
• 计算群速度以量化慢光行为，结果显示在平坦能带区域群速度趋近于零。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种扭转角可在双层光子晶体系统中产生超平坦光子能带？
• RQ2 该系统中的光子能带结构与扭曲双层石墨烯在模态束缚和不对称性方面有何异同？
• RQ3 通过器件几何参数的调节，光子能带结构在多大程度上可被工程化？
• RQ4 在平坦能带区域，光的局域化程度和群速度降低程度如何？
• RQ5 由于增强的光-物质相互作用，该系统是否能支持非线性光学效应（如超辐射）？

主要发现

• 通过有限元方法数值确定了魔法扭转角，实现了在整个布里渊区范围内的平坦光子能带。
• 在平坦能带区域，群速度趋近于零，表明存在极端慢光行为。
• 在不依赖无序或非线性的线性周期光子系统中实现了光局域化。
• 光子模态的束缚程度弱于扭曲双层石墨烯中的电子模态，且表现出更大的能带不对称性。
• 通过几何调节，光子能带结构具有高度可调性，支持灵活的器件设计。
• 该系统工作在通信窗口的C波段，支持集成光子学和非线性光学应用。