토폴로지 엣지 상태를 통한 광학 제어 혁신

Sep 12, 2023

나노포토닉스와 토폴로지는 그들이 제공하는 고유한 특성으로 인해 상당한 관심을 받았습니다. 초점을 맞추고 있는 분야 중 하나는 토폴로지 엣지 상태(TES)를 조사하는 것입니다. 이러한 상태는 오류와 불완전성에 매우 강하기 때문에 광범위한 관심을 끌었습니다. 위상적으로 중요하지 않은 단계에서 발생하는 TES는 광자 집적 회로의 아키텍처 설계를 위한 강력한 툴킷을 제공합니다. TES 전송은 방향성 결합기, 단방향 도파관, 모드 잠금 도파관 및 링 공진기 배열의 의사 스핀 전파를 포함하여 다양한 흥미로운 광학 효과 및 응용 분야의 발견으로 이어졌습니다.

과학자들은 최근 단열 변조, 비선형 효과 및 복잡한 편조와 같은 기술을 탐구하여 TES를 조작하려는 노력을 확대했습니다. 광학 시스템은 에지 간 토폴로지 전송 및 토폴로지 상태의 조정 가능한 위치 파악과 같은 다양한 흥미로운 현상을 보여주었습니다. 이러한 현상은 에너지 및 정보 라우팅, 비선형 포토닉스 및 양자 컴퓨팅을 포함한 최첨단 기술 및 애플리케이션 개발에 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.

현재 방법은 TES 조작에 초점을 맞추고 있지만 아직 TES 간의 상호 작용을 향상시키는 데는 많은 관심을 기울이지 않았습니다. TES 사이의 결합을 개선함으로써 연구자들은 토폴로지 격자의 서로 다른 부분 사이에서 빛 에너지의 교환을 가능하게 할 수 있으며, 이는 TES의 전송을 보다 유연한 방식으로 제어하는 ​​데 도움이 될 수 있습니다.

우한 국립광전자공학연구소(WNLO)와 중국 화중과기대(HUST) 산하 광학전자정보대학(OEI) 연구진이 최근 획기적인 발전을 이루었습니다. Advanced Photonics에 보고된 바와 같이 그들은 SOI(silicon-on-insulator) 칩의 광 채널 스위처에 대한 TES 전송을 효율적으로 조작하는 혁신적인 접근 방식을 개발했습니다. 그들의 연구는 Landau-Zener(LZ) 모델을 사용하여 4레벨 도파관 격자의 에지 간 채널 변환에 중점을 두었습니다. 2개 단위 셀 광학 격자의 유한 크기 효과를 활용하여 토폴로지 모드의 전송을 변조하고 제어하는 ​​대안적이고 효과적이며 동적인 방법을 확립했습니다.

그들이 사용한 도파관 격자는 TES가 있는 것으로 알려진 Chern 절연체라는 2D 재료와 유사합니다. 단위 셀의 수가 감소함에 따라 TES는 LZ 모델에 따라 진화합니다. LZ 단일 대역 진화 원리를 적용함으로써 연구원들은 TES를 동적으로 제어하고 거의 완벽한 채널 변환을 달성할 수 있었습니다.

토폴로지 LZ 나노포토닉 장치는 다양한 다른 응용 분야에 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 특정 파장의 빛에서 작동하는 스위치로 사용할 수 있습니다. LZ 역학을 다른 시스템에 통합함으로써 키랄 채널 변환을 생성하는 것이 가능할 수 있습니다. 이 개념은 더욱 복잡한 도파관 격자로 확장되어 더욱 발전된 장치를 구현할 수도 있습니다.

연구원들은 이러한 토폴로지 LZ 광학 장치가 매우 견고하다는 것을 발견했습니다. 이는 특정 매개변수가 변경된 경우에도 잘 작동할 수 있음을 의미합니다. 이는 컴퓨터 칩의 네트워크 라우팅을 위한 광 스위치나 도파관에서 여러 신호를 결합하거나 분리할 수 있는 장치와 같은 실용적인 장치를 개발할 수 있는 기회를 열어줍니다.

B.-C의 Gold Open Access 기사를 읽어보세요. Xu, B.-Y Xie, L.-H. Xu, et al., "위상학적 Landau-Zener 나노광자 회로" Adv. 광자. 5(3), 036005 (2023), doi 10.1117/1.AP.5.3.036005.