Topologisch op maat gemaakte fotonische kristallen (PhC) hebben de mogelijkheid geopend voor het bereiken van robuust unidirectioneel transport van klassieke en kwantumsystemen. De vraag naar ongekende geleidingscapaciteiten die ongehinderd transport rond onvolkomenheden en scherpe hoeken op telecomgolflengten ondersteunen, zonder enige optimalisatie, is van fundamenteel belang voor een efficiënte distributie van informatie via dichte on-chip fotonische netwerken. Echter, transporteigenschappen van experimentele realisaties van dergelijke topologisch niet-triviale toestanden zijn afgeleid door transmissiemetingen en hoewel robuustheid is bevestigd in de lineaire en niet-lineaire regimes, de exacte kwantificering ervan blijft een uitdaging.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van onderzoekers onder leiding van L. Kuipers van de Technische Universiteit Delft en E. Verhagen van AMOLF, beide in Nederland, rapporteert een rigoureuze robuustheidsevaluatie van fotonische randeigentoestanden bij telecomgolflengten.

Ze fabriceren een valleifotonisch kristal (VPC) dat bestaat uit twee gelijkzijdige driehoekige gaten van verschillende grootte per eenheidscel op een silicium-op-isolatorplatform. De bandstructuur van een domeinwand die het resultaat is van twee pariteit-geïnverteerde kopieën van zo'n PhC-rooster bevat twee gedegenereerde edge-state eigenmodes met een lineaire dispersie. Aangezien deze toestanden onder de lichtlijn liggen, ze koppelen niet aan verre-veldstraling en vertonen daardoor verwaarloosbare stralingsverliezen. Elk van deze edge-states heeft een unieke pseudo-spin, resulterend in een enkele richting waarin de optische toestanden zich voortplanten. Een opmerkelijk grote breedbandtransmissie, zoals verwacht van een topologisch beschermde randtoestand, was gemeten. Bij het visualiseren van de ruimtelijke golffunctie van de randmodi met een fase-opgeloste nabij-veld optische microscoop, maten de onderzoekers met een hoge signaal-tot-achtergrondverhouding een experimenteel geëxtraheerd dispersiediagram. De techniek stelde hen in staat om voorwaarts voortplantend licht te scheiden van achterwaarts lopende golven met extreme gevoeligheid en zo "lokale monitoring van terugverstrooiing langs de domeinmuur" uit te voeren.

De onderzoekers vulden hun kwantitatieve analyse verder aan door de eigenschappen te meten van een modus die zich voortplant langs een topologisch triviale standaard W1 PhC-golfgeleider.

Het team ontdekte dat "in schril contrast met de voorwaartse en achterwaartse modus voor een VPC, de W1-modi vertonen aanzienlijk verlies over het defect. Bovendien, de genormaliseerde achterwaartse amplitudekaart toont aan dat de dominante reflecties al optreden bij de eerste 120°-hoek. De modus-energie wordt hier omgezet in een teruggereflecteerde golf en ervaart bovendien verstrooiing buiten het vlak". om een ​​volledig beeld te krijgen van de terugverstrooiingsbijdrage, de onderzoekers ontwikkelden een transfer-matrixmodel waaruit ondubbelzinnig blijkt dat:

"Een topologisch beschermd PhC-rooster vermindert de experimenteel bereikbare terugreflectie van individuele scherpe hoeken met twee ordes van grootte over het gehele frequentiebereik van de randtoestand, in vergelijking met een standaard W1-golfgeleider."