[论文解读] Topological photonic integrated circuits based on valley kink states

Jingwen Ma, Xiang Xi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文展示了利用光子晶体中不同拓扑谷相之间的谷扭结态实现的拓扑光子集成电路。在这些相之间的畴壁处，稳健的、无背向散射的谷扭结态实现了对谷极化光子的拓扑波导、光路引导、谐振和折射，包括在交叉处出现反直觉的光分裂现象以及具有复杂几何形状的高Q因子腔体。

ABSTRACT

Valley pseudospin, a new degree of freedom in photonic lattices, provides an intriguing way to manipulate photons and enhance the robustness of optical networks. Here we experimentally demonstrated topological waveguiding, refracting, resonating, and routing of valley-polarized photons in integrated circuits. Specifically, we show that at the domain wall between photonic crystals of different topological valley phases, there exists a topologically protected valley kink state that is backscattering-free at sharp bends and terminals. We further harnessed these valley kink states for constructing high-Q topological photonic crystal cavities with tortuously shaped cavity geometries. We also demonstrated a novel optical routing scheme at an intersection of multiple valley kink states, where light splits counterintuitively due to the valley pseudospin of photons. These results will not only lead to robust optical communication and signal processing, but also open the door for fundamental research of topological photonics in areas such as lasing, quantum photon-pair generation, and optomechanics.

研究动机与目标

• 开发利用拓扑保护提升信号完整性的稳健光子集成电路。
• 利用谷赝自旋作为新自由度，控制光子晶格中的光子输运。
• 在不同拓扑谷相的光子晶体畴壁处，利用谷扭结态实现拓扑波导、光路引导和谐振。
• 通过谷扭结态实现具有复杂非传统几何形状的高品质量因子（Q）腔体。
• 探索新型光学路由机制，其中光在交叉处因谷赝自旋而出现反直觉的分裂行为。

提出的方法

• 设计具有不同拓扑谷相的光子晶体，以在界面处形成谷扭结态的畴壁。
• 利用谷赝自旋控制光子传播，实现拓扑保护的输运。
• 设计并制造具有锐角弯曲和端口的集成电路，以测试谷扭结态的抗背向散射能力。
• 利用谷扭结态构建具有非传统、曲折几何形状的高Q因子拓扑光子晶体腔体。
• 在多态交叉点演示了一种新型光学路由方案，其中光的分裂行为由光子的谷赝自旋决定。
• 在单一集成平台中对波导、折射、谐振和路由功能进行了实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同拓扑谷相的光子晶体畴壁处，谷扭结态是否能实现在锐角弯曲和端口处无背向散射的光传播？
• RQ2 如何利用谷扭结态构建具有复杂非传统几何形状的高Q因子拓扑光子晶体腔体？
• RQ3 能否利用谷赝自旋实现在交叉处出现非传统分裂行为的反直觉光学路由？
• RQ4 谷扭结态在结构缺陷存在的情况下，对光子集成电路的鲁棒性提升程度如何？
• RQ5 基于谷扭结态的拓扑光子电路的实际极限和性能指标（如Q因子、传输效率）是什么？

主要发现

• 在不同拓扑谷相光子晶体的畴壁处，谷扭结态表现出无背向散射的传播特性，即使在锐角弯曲和端口处也保持稳定。
• 通过谷扭结态实现了具有曲折几何形状的高Q因子拓扑光子晶体腔体，显著增强了光的局域化能力。
• 在多个谷扭结态交叉点处演示了一种新型光学路由方案，光的分裂行为因光子的谷赝自旋而呈现反直觉特征。
• 实验结果证实了在单一集成电路平台上，对谷极化光子实现了稳健的拓扑波导、折射、谐振和路由功能。
• 所展示的系统支持具备拓扑保护的基本光子功能，为实现鲁棒的光通信和信号处理应用提供了可能。