[论文解读] Observation of strong backscattering in valley-Hall photonic topological interface modes

Christian Anker Rosiek, Guillermo Arregui+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2022

Advanced Optical Sensing Technologies被引用 6

一句话总结

本研究通过高折射率氮化硅光子晶体，实验研究了谷-Hall光子拓扑界面模式中的后向散射。尽管理论预测具有拓扑保护，但实验结果揭示，由于残余结构无序引起的安德森局域化，导致强烈的后向散射，从而削弱了在电信波段实际光子器件中拓扑保护的实用性。

ABSTRACT

The unique properties of light underpin the visions of photonic quantum technologies, optical interconnects, and a wide range of novel sensors, but a key limiting factor today is losses due to either absorption or backscattering on defects. Recent developments in topological photonics have fostered the vision of backscattering-protected waveguides made from topological interface modes, but, surprisingly, measurements of their propagation losses were so far missing. Here we report on measurements of losses in the slow-light regime of valley-Hall topological waveguides and find no indications of topological protection against backscattering on ubiquitous structural defects. We image the light scattered out from the topological waveguides and find that the propagation losses are due to Anderson localization. The only photonic topological waveguides proposed for materials without intrinsic absorption in the optical domain are quantum spin-Hall and valley-Hall interface states, but the former exhibits strong out-of-plane losses, and our work therefore raises fundamental questions about the real-world value of topological protection in reciprocal photonics.

研究动机与目标

• 在慢光区域实验测量谷-Hall光子拓扑界面模式中的传播损耗。
• 评估拓扑保护是否能有效抑制实际制造的光子晶体波导中结构缺陷引起的后向散射。
• 确定在真实制造公差下，拓扑波导中主导的损耗机制。
• 评估拓扑光子学在低损耗光互连和量子光子器件中实际可行性的潜力。
• 在相同无序条件下，比较拓扑波导与传统硅波导的性能表现。

提出的方法

• 利用电子束光刻和反应离子刻蚀技术，在高折射率电介质材料（SiN）上制备平面光子晶体波导。
• 通过破坏晶格的反演对称性，工程化实现谷-Hall拓扑界面，从而在界面处产生拓扑边缘模式。
• 利用近场扫描光学显微镜（NSOM）成像散射光，以测绘出平面辐射并量化后向散射。
• 通过测量不同长度（1250a₀ 和 250a₀）波导的传输谱，提取传播损耗系数。
• 利用扫描电子显微镜（SEM）在单胞尺度上表征结构无序，包括锐角弯曲和随机偏差。
• 将实测损耗与无序引起的局域化理论模型相关联，特别关注相干后向散射和安德森局域化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在实际制造缺陷的情况下，谷-Hall光子晶体波导中的拓扑保护是否能有效抑制后向散射？
• RQ2 在慢光条件下，限制拓扑波导中传播的主要损耗机制是什么？
• RQ3 在具有相似结构无序的情况下，拓扑波导的传播损耗与传统光子晶体波导相比如何？
• RQ4 残余无序在多大程度上导致拓扑界面模式中的安德森局域化？
• RQ5 在当前制造公差下，拓扑保护能否在电信波段的集成光子器件中实现实际应用？

主要发现

• 谷-Hall光子拓扑波导中的传播损耗主要由强烈的后向散射引起，而非吸收或出平面辐射。
• 散射光成像显示，损耗源于残余结构无序引起的安德森局域化，其机制为相干多次后向散射。
• 传输测量结果表明，拓扑保护并未实现：损耗系数与传统波导相当或更差。
• 存在120°锐角弯曲（有意引入的缺陷）并未抑制拓扑带中的传输，表明其对这类扰动缺乏鲁棒性。
• 损耗随波导长度显著增加，与无序引起的指数局域化一致，而非受保护模式预期的弱依赖关系。
• 结果挑战了谷-Hall拓扑界面模式在实际光子集成电路中具备实用后向散射免疫能力的假设。