Революционный оптический контроль с помощью топологических краевых состояний

Sep 12, 2023

Нанофотоника и топология вызвали значительный интерес благодаря своим уникальным свойствам. Одним из направлений внимания является исследование топологических краевых состояний (TES). Эти состояния привлекли широкое внимание, поскольку они очень устойчивы к ошибкам и несовершенствам. Возникнув на топологически нетривиальных этапах, TES предоставляют мощный набор инструментов для архитектурного проектирования фотонных интегральных схем. Транспортировка TES привела к открытию различных интригующих оптических эффектов и применений, включая направленные ответвители, односторонние волноводы, волноводы с синхронизацией мод и распространение псевдоспина в решетках кольцевых резонаторов.

Ученые недавно расширили свои усилия по манипулированию ТЭС, исследуя такие методы, как адиабатическая модуляция, нелинейные эффекты и сложное переплетение. Оптические системы продемонстрировали ряд интересных явлений, таких как топологический транспорт от края до края и настраиваемая локализация топологических состояний. Эти явления таят в себе огромный потенциал для развития передовых технологий и приложений, включая маршрутизацию энергии и информации, нелинейную фотонику и квантовые вычисления.

Хотя современные методы сосредоточены на манипулировании TES, они еще не уделяют особого внимания улучшению взаимодействия между TES. Улучшая связь между TES, исследователи могут обеспечить обмен световой энергией между различными частями топологической решетки, что может помочь более гибко контролировать транспортировку TES.

Группа исследователей из Уханьской национальной лаборатории оптоэлектроники (WNLO) и Школы оптической и электронной информации (OEI) Хуачжунского университета науки и технологий (HUST) в Китае недавно совершила значительный прорыв. Как сообщается в Advanced Photonics, они разработали инновационный подход к эффективному управлению транспортировкой TES для переключателя оптических каналов на кристалле кремний-на-изоляторе (SOI). Их исследование было сосредоточено на сквозном преобразовании каналов в четырехуровневой решетке волноводов с использованием модели Ландау-Зинера (LZ). Используя эффект конечного размера в двухэлементной оптической решетке, они разработали альтернативный, эффективный и динамический метод модуляции и управления переносом топологических мод.

Решетка волновода, которую они использовали, похожа на двумерный материал, называемый изолятором Черна, который, как известно, содержит ТЭС. По мере уменьшения количества элементарных ячеек ТЭС развиваются по модели ЛЗ. Применив принцип однодиапазонной эволюции LZ, исследователи смогли динамически управлять TES и добиться почти идеального преобразования каналов.

Топологические нанофотонные устройства LZ могут быть использованы в различных других приложениях. Их можно использовать в качестве переключателей, работающих на определенных длинах волн света. Включив динамику LZ в различные системы, можно будет создать преобразования киральных каналов. Эту концепцию также можно распространить на более сложные волноводные решетки, что позволяет создавать еще более совершенные устройства.

Исследователи обнаружили, что эти топологические оптические устройства LZ достаточно надежны, то есть могут хорошо работать даже при изменении определенных параметров. Это открывает возможности для разработки практических устройств, таких как оптические переключатели для маршрутизации сетей на компьютерных чипах или устройств, которые могут объединять или разделять несколько сигналов в волноводе.

Прочтите статью Б.-К. Gold Open Access. Сюй, Б.-Ю Се, Л.-Х. Сюй и др., «Топологические нанофотонные схемы Ландау-Зинера», Adv. Фотон. 5(3), 036005 (2023), дои 10.1117/1.АП.5.3.036005.