トポロジカルエッジ状態による光制御の革新

Sep 12, 2023

ナノフォトニクスとトポロジーは、それらが提供する独特の特性により大きな関心を集めています。 焦点の 1 つの領域は、トポロジカル エッジ状態 (TES) の調査です。 これらの状態は、エラーや不完全性に対して非常に強いため、広く注目を集めています。 トポロジー的に自明ではないフェーズから生まれた TES は、フォトニック集積回路のアーキテクチャ設計に強力なツールキットを提供します。 TES 伝送は、方向性結合器、一方向導波路、モードロック導波路、リング共振器アレイ内の擬似スピン伝播など、さまざまな興味深い光学効果や応用の発見につながりました。

科学者たちは最近、断熱変調、非線形効果、複雑な編組などの技術を研究することで、TES を操作する取り組みを拡大しています。 光学システムは、エッジツーエッジのトポロジカル輸送やトポロジカル状態の調整可能な局在化など、さまざまな興味深い現象を実証してきました。 これらの現象は、エネルギーと情報のルーティング、非線形フォトニクス、量子コンピューティングなどの最先端の技術とアプリケーションの開発に大きな可能性を秘めています。

現在の手法は TES の操作に焦点を当てていますが、TES 間の相互作用の強化にはまだあまり注意を払っていません。 TES 間の結合を改善することで、研究者はトポロジカル格子の異なる部分間での光エネルギーの交換を可能にし、より柔軟な方法で TES の輸送を制御するのに役立ちます。

中国の武漢国立光電子研究所（WNLO）と華中科技大学（HUST）の光電子情報学院（OEI）の研究者グループは最近、大きな進歩を遂げた。 Advanced Photonics で報告されているように、彼らはシリコン オン インシュレータ (SOI) チップ上の光チャネル スイッチャの TES トランスポートを効率的に操作する革新的なアプローチを開発しました。 彼らの研究は、ランダウ・ツェナー (LZ) モデルを使用した 4 レベル導波路格子におけるエッジツーエッジのチャネル変換に焦点を当てました。 彼らは、2 単位セルの光格子における有限サイズ効果を利用することにより、トポロジカル モードの輸送を変調および制御するための、効果的で動的な代替方法を確立しました。

彼らが使用した導波路格子は、TES を持つことが知られているチャーン絶縁体と呼ばれる 2D 材料に似ています。 単位セルの数が減少するにつれて、TES は LZ モデルに従って進化します。 LZ シングルバンド進化原理を適用することで、研究者らは TES を動的に制御し、ほぼ完璧なチャネル変換を達成することができました。

トポロジカル LZ ナノフォトニクス デバイスは、他のさまざまな用途に使用できる可能性があります。 特定の光の波長で動作するスイッチとして使用できます。 LZ ダイナミクスをさまざまなシステムに組み込むことにより、キラル チャネル変換を作成できる可能性があります。 この概念は、より複雑な導波路格子にも拡張でき、より高度なデバイスを実現できます。

研究者らは、これらのトポロジカル LZ 光デバイスが非常に堅牢であること、つまり特定のパラメーターが変更された場合でも良好に動作できることを発見しました。 これにより、コンピュータチップ上でネットワークをルーティングするための光スイッチや、導波路内で複数の信号を結合または分離できるデバイスなどの実用的なデバイスを開発する機会が開かれます。

B.-C によるゴールド オープン アクセスの記事を読んでください。 徐、B.-Y 謝、L.-H. Xuら、「トポロジカル・ランダウ・ツェナー・ナノフォトニック回路」、Adv. 光子。 5(3)、036005 (2023)、doi 10.1117/1.AP.5.3.036005。