Zweidimensionale photonische Kristalle mit dualer Polarisation

Die Einführung der Topologie in photonische Systeme hat beträchtliche Aufmerksamkeit erregt, nicht nur wegen der aufwendigen Lichtformung, sondern auch wegen ihrer praktischen Anwendung in neuartigen photonischen Geräten. Ursprünglich wurde der Quanten-Hall-Effekt von Licht in photonischen Kristallen (PCs) realisiert, indem externe elektrische oder magnetische Felder eingeführt wurden, um die Zeitumkehrsymmetrie (TRS) zu brechen.

Anstatt das TRS zu brechen, wurde der Quanten-Spin-Hall-Effekt von Licht in TRS-erhaltenen Systemen erreicht, in denen photonische Pseudospins konstruiert werden können. Kürzlich wurde der Valley-Hall-Effekt von Licht realisiert, indem der binäre Valley-Freiheitsgrad (DoF) in photonische Systeme eingeführt wurde. Eines der wesentlichen Merkmale des Valley-Hall-Effekts ist die nichttriviale photonische Bandlücke, die durch die von Null verschiedene Valley-Chern-Zahl gekennzeichnet ist.

Darüber hinaus werden talabhängige Kantenmoden an der Domänenwand unterstützt, die aus zwei PCs mit entgegengesetzten Tal-Chern-Zahlen besteht. Der Valley-Hall-Effekt von Licht wird üblicherweise in einem dreieckigen Gitter-PC mit gebrochener Spiegelsymmetrie oder in einem wabenförmigen Gitter-PC mit gebrochener räumlicher Inversionssymmetrie realisiert und ist mit bestehenden nanophotonischen Herstellungstechniken kompatibel.

Aufgrund dieser Vorteile haben Valley-PCs in der integrierten Photonik erhebliche Aufmerksamkeit erhalten und sind vielversprechend in Anwendungen wie Wellenleitern, Strahlteilern, Ringresonatoren usw. Andererseits wurde die Polarisation als einer der DoFs von Licht in großem Umfang beim Multiplexing von Photonik angewendet Geräte. Die Erforschung des polarisationsabhängigen Valley-Hall-Effekts, der eine herkömmliche DoF von Licht in topologische PCs einführt, wird den Anwendungsbereich in der topologischen Photonik weiter erweitern.

Kürzlich haben Xiao-Dong Chen, Jian-Wen Dong et al. von der Sun Yat-sen University schlugen den Polarisationstal-Hall-Effekt von Licht in einem 2D-Dreiecksgitter-PC vor. Die Forschungsergebnisse trugen den Titel „Dual-polarization two-dimensional Valley Photonic Crystals“ und wurden in veröffentlicht Science China Physik, Mechanik & Astronomie.

Die zufällige Entartung von Frequenzen von Dirac-Kegeln mit TE- und TM-Polarisationen, dh zufällige Dirac-Kegel mit dualer Polarisation, werden durch Ändern des Füllverhältnisses metallischer Stäbe im dielektrischen Hintergrund realisiert. Die polarisationsabhängigen Tal-Chern-Zahlen werden bestätigt, indem die Wirbelphasenverteilung von Eigenfeldern analysiert und die Berry-Krümmung im Impulsraum berechnet wird.

Die resultierenden TE- und TM-polarisierten Bandlücken mit entgegengesetzten Chern-Zahlen führen zu dem Polarisationstal-Hall-Effekt von Licht. Ein Schlüsselphänomen des Polarisationstal-Hall-Effekts von Licht, dh die polarisationsabhängige Brechung von Volumenmoden in das homogene Medium, wird demonstriert. Ein solches polarisationsabhängiges Merkmal ist nützlich beim Multiplexen photonischer Vorrichtungen, z. B. der Polarisationsstrahlteiler.

Neben den polarisationsabhängigen Phänomenen wird auch der polarisationsunabhängige topologische Taltransport vorgestellt, der den Wunsch nach einer Erhöhung der Informationskapazität in optischen Verbindungen durch die Einführung von Polarisations-DoF erfüllt.

Es ist bemerkenswert, dass die präsentierten Ergebnisse allgemein sind, da die Schlüsselanforderung darin besteht, zwei polarisationsabhängige photonische Bandlücken im Tal zu finden, die denselben Frequenzbereich teilen. Darüber hinaus kann die Einführung der Polarisation in andere topologische Phasen zu fruchtbaren, faszinierenden Phänomenen führen, einschließlich polarisationsabhängiger topologischer Eckzustände höherer Ordnung usw.

Diese Arbeit schlug einen Ansatz vor, um die Polarisations-DoF in 2D-Valley-Hall-PCs anzuwenden. Die Einführung des Polarisations-DoF in die topologische Photonik hat die Lichtfeldmanipulation bereichert und ein tieferes Anwendungspotential für die topologische Photonik geboten.