[论文解读] Nonlinear control of photonic higher-order topological bound states in the continuum

Zhichan Hu, Domenico Bongiovanni+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 51被引用 5

一句话总结

本文展示了在激光直写第二阶拓扑晶格中对光子高阶拓扑束缚态在连续谱中（BICs）的非线性控制。通过利用聚焦与非聚焦非线性效应，作者展示了拓扑角态（亦为BICs）与边缘态之间可调的耦合，从线性耦合过渡至高强度下的非线性孤子形成，理论计算的非线性Zak相位类比证实了主动的拓扑调控。

ABSTRACT

Higher-order topological insulators (HOTIs) are recently discovered topological phases, possessing symmetry-protected corner states with fractional charges. An unexpected connection between these states and the seemingly unrelated phenomenon of bound states in the continuum (BICs) was recently unveiled. When nonlinearity is added to a HOTI system, a number of fundamentally important questions arise. For example, how does nonlinearity couple higher-order topological BICs with the rest of the system, including continuum states? In fact, thus far BICs in nonlinear HOTIs have remained unexplored. Here, we demonstrate the interplay of nonlinearity, higher-order topology, and BICs in a photonic platform. We observe topological corner states which, serendipitously, are also BICs in a laser-written second-order topological lattice. We further demonstrate nonlinear coupling with edge states at a low nonlinearity, transitioning to solitons at a high nonlinearity. Theoretically, we calculate the analog of the Zak phase in the nonlinear regime, illustrating that a topological BIC can be actively tuned by both focusing and defocusing nonlinearities. Our studies are applicable to other nonlinear HOTI systems, with promising applications in emerging topology-driven devices.

研究动机与目标

• 研究光子系统中非线性、高阶拓扑与连续谱束缚态（BICs）之间的相互作用。
• 探讨非线性如何使先前被识别为BICs的拓扑角态与连续谱及边缘态耦合。
• 通过聚焦与非聚焦非线性效应，展示对拓扑BICs的主动调控。
• 建立高阶拓扑系统中非线性Zak相位的理论框架。
• 通过可控的非线性动力学，为基于拓扑的光子器件开辟新应用。

提出的方法

• 通过设计耦合强度的激光直写波导晶格，实验实现第二阶光子拓扑绝缘体。
• 识别出由于对称性保护而同时表现出BIC特性的拓扑角态。
• 通过外部泵浦光束施加受控的光学非线性（聚焦与非聚焦），调制系统的响应。
• 测量输入功率增加时，模式从线性耦合到非线性孤子形成的演化过程。
• 理论推导非线性Zak相位的类比，以表征非线性条件下的拓扑特性。
• 通过数值模拟与解析建模，验证非线性拓扑态的鲁棒性与可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性如何介导高阶拓扑BICs与周围连续谱及边缘态之间的耦合？
• RQ2 能否利用非线性光学效应主动调控高阶光子系统中的拓扑BICs？
• RQ3 在同时为BICs的对称性保护角态存在下，非线性模式（如孤子）的行为如何？
• RQ4 非线性Zak相位在高阶拓扑系统中如何演化？其揭示了非线性条件下拓扑保护的何种信息？
• RQ5 该系统中从线性边缘态耦合到非线性孤子形成的转变机制是什么？

主要发现

• 在激光直写光子晶格中，实验确认了拓扑角态为连续谱中的束缚态（BICs），由于对称性保护而表现出零辐射损耗。
• 在低非线性条件下，系统表现出拓扑角BIC与边缘态之间的耦合，观测到能量在两者间转移。
• 在高非线性条件下，系统支持稳定的自陷非线性模式——孤子，其源于拓扑BIC与边缘态的相互作用。
• 非线性Zak相位的理论计算表明，聚焦与非聚焦非线性均可主动调节BIC的拓扑特性。
• 从线性耦合到孤子形成的转变过程在实验中被观测到，并通过数值模拟得到验证，表明非线性动力学具有鲁棒性。
• 研究结果建立了一个通用框架，适用于未来其他非线性高阶拓扑绝缘体系统的器件应用。