[论文解读] Topological Flat Band and Parity-Time Symmetry in a Honeycomb Lattice of Coupled Resonant Optical Waveguides

Xue-Yi Zhu, Samit Kumar Gupta+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用 9

一句话总结

本文提出了一种由耦合共振光学波导构成的二维蜂窝晶格，通过伪自旋-轨道耦合和狄拉克点实现拓扑平带，从而实现拓扑保护的边缘态。通过引入宇称-时间（PT）对称的增益-损耗调制，系统在锯齿形边缘实现增益与损耗的分离，同时在扶手椅形边界保持无耗散的边缘传输，从而实现鲁棒的光子器件。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) coupled resonant optical waveguide (CROW), exhibiting topological edge states, provides an efficient platform for designing integrated topological photonic devices. In this paper, we propose an experimentally feasible design of 2D honeycomb CROW photonic structure. The characteristic optical system possesses two-fold and three-fold Dirac points at different positions in the Brillouin zone. The effective gauge fields implemented by the intrinsic pseudo-spin-orbit interaction open up topologically nontrivial bandgaps through the Dirac points. Spatial lattice geometries allow destructive wave interference, leading to a dispersionless, nearly-flat energy band in the vicinity of the three-fold Dirac point in the telecommunication frequency regime. This nontrivial nearly-flat band yields topologically protected edge states. The pertinent physical effects brought about due to non-Hermitian gain/loss medium into the honeycomb CROW device are discussed. The generalized gain-loss lattice with parity-time symmetry decouples the gain and the loss at opposite zigzag edges, leading to purely gain or loss edge channels. Meanwhile, the gain and loss effects on the armchair boundary cancel each other, giving rise to dissipationless edge states in non-Hermitian optical systems. These characteristics underpin the fundamental importance as well as the potential applications in various optical devices such as polarizers, optical couplers, beam splitters and slow light delay lines.

研究动机与目标

• 设计一种支持拓扑平带和边缘态的二维耦合共振光学波导（CROW）晶格。
• 通过内在的伪自旋-轨道耦合实现有效规范场，打开拓扑非平庸的能隙。
• 通过空间晶格几何中的相消干涉，在三重狄拉克点附近实现近乎无色散的平坦能带。
• 研究非厄米增益-损耗介质在PT对称配置下对边缘态鲁棒性的影响。
• 实现无耗散的边缘传输，并支持耦合器和慢光缓冲器等功能光子器件。

提出的方法

• 设计具有可调耦合强度的二维蜂窝CROW晶格，以模拟有效规范场。
• 利用晶格几何产生的伪自旋-轨道耦合，在布里渊区的二重和三重狄拉克点打开拓扑能隙。
• 调控空间晶格对称性，诱导相消干涉，从而在电信频段的三重狄拉克点附近形成近乎平坦的能带。
• 引入广义的PT对称增益-损耗晶格，使增益与损耗在锯齿形边缘空间分离。
• 使用非厄米哈密顿量形式化分析系统响应，研究PT对称下边缘态的行为。
• 证明扶手椅形边界中增益与损耗效应相互抵消，从而实现无耗散的边缘传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过设计的晶格几何和伪自旋-轨道耦合，二维蜂窝CROW晶格能否支持拓扑平带？
• RQ2 三重狄拉克点的存在如何促进系统中近乎无色散平坦带的形成？
• RQ3 在不同边界几何（锯齿形与扶手椅形）下，PT对称增益与损耗对边缘态有何影响？
• RQ4 尽管存在非厄米增益与损耗组分，系统能否维持无耗散的边缘传输？
• RQ5 该系统对设计集成拓扑光子器件有何启示？

主要发现

• 由于设计的晶格几何引起的相消干涉，三重狄拉克点附近出现近乎平坦的能带，导致色散极小。
• 系统边界处实现了拓扑保护的边缘态，对无序和缺陷具有鲁棒性。
• 在PT对称配置下，锯齿形边缘的增益与损耗在空间上分离，导致纯放大或纯吸收的边缘通道。
• 在扶手椅形边界处，增益与损耗效应相互抵消，即使存在非厄米介质，仍实现无耗散的边缘传输。
• 该系统在电信频段支持鲁棒的边缘态，可实现集成光子学中的实际应用。
• 该设计可使用标准耦合共振波导阵列制造技术实现。