Revolutionierung der optischen Steuerung mit topologischen Randzuständen

Nanophotonik und Topologie haben aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften großes Interesse geweckt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung topologischer Randzustände (TESs). Diese Zustände haben große Aufmerksamkeit erregt, weil sie sehr resistent gegenüber Fehlern und Unvollkommenheiten sind.

TES entstehen aus topologisch nicht trivialen Phasen und bieten ein leistungsstarkes Toolkit für den Architekturentwurf photonischer integrierter Schaltkreise. Der TES-Transport hat zur Entdeckung verschiedener faszinierender optischer Effekte und Anwendungen geführt, darunter Richtkoppler, Einwegwellenleiter, modengekoppelte Wellenleiter und Pseudospinausbreitung in Ringresonator-Arrays.

Wissenschaftler haben kürzlich ihre Bemühungen zur Manipulation von TESs durch die Erforschung von Techniken wie adiabatischer Modulation, nichtlinearen Effekten und komplexer Flechtung ausgeweitet. Optische Systeme haben eine Reihe faszinierender Phänomene gezeigt, wie z. B. den topologischen Transport von Kante zu Kante und die einstellbare Lokalisierung topologischer Zustände. Diese Phänomene bergen ein enormes Potenzial für die Entwicklung modernster Technologien und Anwendungen, einschließlich Energie- und Informationsrouting, nichtlinearer Photonik und Quantencomputing.

Während sich aktuelle Methoden auf die Manipulation von TESs konzentrieren, wird der Verbesserung der Interaktion zwischen TESs noch nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt. Durch die Verbesserung der Kopplung zwischen TESs können Forscher den Austausch von Lichtenergie zwischen verschiedenen Teilen eines topologischen Gitters ermöglichen, was dazu beitragen kann, den Transport von TESs flexibler zu steuern.

Einer Gruppe von Forschern des Wuhan National Laboratory for Optoelectronics (WNLO) und der School of Optical and Electronic Information (OEI) der Huazhong University of Science and Technology (HUST) in China gelang kürzlich ein bedeutender Durchbruch. Wie berichtet in Fortgeschrittene PhotonikSie entwickelten einen innovativen Ansatz zur effizienten Manipulation des TES-Transports für einen optischen Kanalumschalter auf einem Silizium-auf-Isolator-Chip (SOI).

Ihre Studie konzentrierte sich auf die Kante-zu-Kante-Kanalumwandlung in einem vierstufigen Wellenleitergitter unter Verwendung des Landau-Zener-Modells (LZ). Durch Ausnutzung des endlichen Größeneffekts in einem optischen Gitter mit zwei Elementarzellen etablierten sie eine alternative, effektive und dynamische Methode zur Modulation und Steuerung des Transports topologischer Moden.

Das von ihnen verwendete Wellenleitergitter ähnelt einem 2D-Material namens Chern-Isolator, von dem bekannt ist, dass es TESs aufweist. Wenn die Anzahl der Elementarzellen abnimmt, entwickeln sich die TESs gemäß dem LZ-Modell. Durch die Anwendung des LZ-Einzelband-Evolutionsprinzips konnten die Forscher die TESs dynamisch steuern und eine nahezu perfekte Kanalkonvertierung erreichen.

Topologische nanophotonische LZ-Geräte können möglicherweise in verschiedenen anderen Anwendungen eingesetzt werden. Sie können als Schalter verwendet werden, die bei bestimmten Lichtwellenlängen arbeiten. Durch die Integration der LZ-Dynamik in verschiedene Systeme könnte es möglich sein, chirale Kanalumwandlungen zu erzeugen. Dieses Konzept kann auch auf komplexere Wellenleitergitter ausgeweitet werden, was noch fortschrittlichere Geräte ermöglicht.

Die Forscher fanden heraus, dass diese topologischen optischen LZ-Geräte recht robust sind, was bedeutet, dass sie auch dann gut funktionieren können, wenn bestimmte Parameter geändert werden. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Entwicklung praktischer Geräte wie optischer Schalter zum Routing von Netzwerken auf Computerchips oder Geräten, die mehrere Signale in einem Wellenleiter kombinieren oder trennen können.