Compacte functionele apparaten van terahertz zijn zeer nuttig voor draadloze communicatie met hoge snelheid, biochemische detectie en niet-destructieve inspectie. Gecontroleerde terahertz-generatie, naast transport en detectie, is echter een uitdaging voor apparaten op chipschaal, vanwege de lage koppelingsefficiëntie en absorptieverliezen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Nature:Light Science &Applications , Jiayi Wang, Shiai Xia en Ride Wang en een team van onderzoekers in de natuurkunde, biofysica en niet-lineaire fotonica, aan de Nankai University, China en INRS-ENT, Canada, genereerden niet-lineaire en topologisch afgestemde opsluiting van terahertz-golven in een geconstrueerd lithiumniobaat chippen. Het team heeft de bandstructuren experimenteel gemeten om directe visualisatie van de terahertz-lokalisatie in de momentumruimte te bieden. De uitkomsten bieden nieuwe mogelijkheden om terahertz geïntegreerde schakelingen te realiseren voor geavanceerde fotonische toepassingen.

Terahertz afstemmen op een lithiumniobaat fotonische chip

De ontwikkeling van betrouwbare terahertz-technologie wordt voornamelijk gedreven door een grote vraag naar toepassingen, waaronder draadloze communicatie

signaalverwerking en biosensing, evenals niet-destructieve evaluatie. Het gebrek aan geïntegreerde functionele apparaten in het terahertz-bereik heeft hun toepassingen echter beperkt en het is een uitdaging om terahertz-golflengten te geleiden vanwege verliezen die voortvloeien uit kritieke kenmerken van het spectrum. Onderzoekers hebben enorme inspanningen geleverd om verschillende ontwerpen en benaderingen voor terahertz-bronnen te verkennen via een verscheidenheid aan platforms, waaronder metamaterialen, niet-lineaire meta-oppervlakken, plasmonische golven en golfmenging in ionische kristallen en tijdsdomeinintegratie van terahertz-pulsen.

In dit werk hebben Wang et al. een schema voorgesteld en ontwikkeld voor niet-lineaire generatie en topologisch afgestemde opsluiting van terahertz-golven om het fenomeen op een enkele lithiumniobaat fotonische chip volledig te realiseren. Het proces was gebaseerd op een fotonische microstructuur met lithiumniobaat-golfgeleiderstrepen die topologisch triviale en niet-triviale overgangen konden ondergaan. Het team gebruikte femtosecond-laser-schrijftechnologie om het construct te ontwikkelen met een topologisch defect aan de centrale interface. Ze maten het terahertz-veld via een pomp-sonde-experiment om afstembare opsluiting langs de chip te laten zien, ten opzichte van de variatie van de geometrie van de fotonische structuur. De resultaten gaven een duidelijke indicatie van terahertz-golfopsluiting als gevolg van topologische bescherming.

In de natuurkunde is een standaardtechniek voor het genereren van terahertz-golven gebaseerd op optische rectificatie die kan worden geïnduceerd via femtoseconde laserpulsen in niet-lineaire kristallen van de tweede orde. In de afgelopen vier decennia hadden wetenschappers een reeks methoden ontwikkeld om de efficiëntie van de terahertz-generatie te verbeteren, een smalle terahertz-bandbreedte te activeren en het frequentieverval in lithiumniobaatkristallen te verminderen. Onderzoekers hadden ook afstembare terahertz-pulsen gegenereerd in niet-lineaire lithiumniobaatkristallen via ultrakorte laserpulsen. Snelle verbeteringen in het veld hebben geleid tot nieuwe methoden voor de lokalisatie en opsluiting van THZ-golven. Wang et al. gebruikten een Su-Schrieffer-Heeger-roostertype fotonisch rooster op een lithiumniobaatchip om afstembare topologische terahertz-golflokalisatie te bereiken. Het rooster leverde een prototypisch topologisch model met wijdverbreide demonstraties in fotonica en plasmonica. Dergelijke modellen waren eerder toepasbaar om robuuste, verstrengelde fotonparen te genereren, om niet-lineaire harmonische generatie te verbeteren, topologische lasering en niet-Hermitiaanse topologische toestanden te realiseren, afgezien van het terahertz-golflengteregime.

Om de voorgestelde terahertz-veldmanipulatie te realiseren, voerden Wang et al een reeks experimenten uit, met een typische pomp-sondeopstelling. Tijdens de experimenten gebruikte het team een ​​femtoseconde pompstraal om terahertz-golven te genereren die de evoluerende golven in de chip opsloten in plaats van in de vrije ruimte. Het team breidde het schema uit met geïntegreerde topologische circuits in compacte terahertz-apparaten. Ze detecteerden de golven met behulp van een in de tijd opgeloste beeldvormingsmethode, gebaseerd op een fasecontrastbeeldvormingsmethode om de brekingsindexverandering te volgen die wordt veroorzaakt door terahertz-golven. De uitkomsten wezen op een topologisch defect, dat goed overeenkwam met de berekeningen. De resultaten lieten duidelijk zien hoe de gegenereerde terahertz-golven sterk kunnen worden opgesloten in de buurt van het centrale defect van het construct, weg van het overgangspunt. Wang et al. bevestigden de resultaten met numerieke simulaties, die goed overeenkwamen.

In this way, Jiayi Wang, Shiai Xia and Ride Wang developed a scheme for nonlinear generation of topologically tuned terahertz wave confinement on a single photonic chip. The theory was in good agreement with the experimental observations to substantiate the distinctive features of terahertz topological states. The work provides a flexible and convenient platform to tune the confinement and topological properties of terahertz waves on demand, to open new avenues to implement versatile, stable and compact terahertz photonic integrated circuits, for a variety of applications, including future topology-driven photonic technology. + Verder verkennen

Researchers develop broadband spintronic-metasurface terahertz emitters with tunable chirality

© 2022 Science X Network