Améliorer la robustesse des états liés dans le continuum avec des charges topologiques plus élevées

Les états liés dans le continuum (BIC) ont suscité un large intérêt dans la recherche en raison de leurs excellentes performances dans le confinement de la lumière, ce qui peut stimuler l’interaction lumière-matière. Les BIC peuvent éliminer la perte de rayonnement pour atteindre théoriquement un facteur de qualité infini Q. Cependant, dans les résonateurs pratiques sur puce, il existe des imperfections de fabrication inévitables qui couplent les BIC aux états radiatifs proches par diffusion, limitant ainsi le Q disponible.

Pour supprimer la perte de diffusion, l’amélioration du confinement de la lumière dans les états radiatifs proches est nécessaire. Plusieurs BIC peuvent être réglés sur la même position pour former un BIC de fusion en utilisant les propriétés topologiques du BIC. Ce mécanisme physique peut améliorer de manière significative le Q des états proches sur une large gamme de vecteurs d’onde et améliorer la robustesse des BIC contre la perte de diffusion des imperfections de fabrication.

Pour les dalles de cristal photonique, les polarisations du rayonnement de champ lointain forment un vortex de polarisation autour d’un BIC dans l’espace d’impulsion. Le BIC est situé à la singularité topologique, dont la direction de polarisation ne peut pas être définie, il n’y a donc pas de perte de rayonnement. Le nombre d’enroulement de polarisations dans le sens antihoraire définit la charge topologique des BIC. Les BIC sont topologiquement protégés suivant la conservation de la charge topologique. Ils sont accordables dans l’espace des impulsions avec la variation des paramètres structuraux.

Cependant, à ce jour, la construction de BIC fusionnés n’implique que la manipulation de charges topologiques fondamentales. D’une part, les charges topologiques d’ordre supérieur peuvent être considérées comme constituées de multiples charges topologiques fondamentales, et donc un BIC chargé d’ordre supérieur lui-même peut améliorer la robustesse d’un BIC contre la perte de diffusion. D’autre part, en réduisant la symétrie structurelle, les BIC avec des charges topologiques d’ordre supérieur peuvent se diviser en plusieurs BIC avec des charges topologiques fondamentales, qui peuvent construire des BIC fusionnés avec d’autres BIC induits par des mécanismes physiques.

Dans un nouvel article publié dans Lumière : science et applicationsle professeur Meng Xiao de l’Université de Wuhan, l’équipe du professeur Hongxing Xu de l’Université de Wuhan et le professeur Che Ting Chan de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong ont coopéré pour proposer un nouveau mécanisme physique permettant de réaliser la fusion de BIC en manipulant des topologiques d’ordre supérieur. des charges.

Dans la dalle de cristal photonique avec un réseau triangulaire, il y a un BIC protégé par symétrie avec une charge topologique de -2 au point Γ. Lorsque l’épaisseur de la dalle est appropriée, des BIC accidentels avec des charges topologiques de ± 1 apparaissent aux points off-Γ, qui sont formés par l’annulation accidentelle de la perte de rayonnement en raison d’interférences destructives. En faisant varier l’épaisseur, plusieurs BIC accidentels peuvent être réglés simultanément sur le point G, formant un BIC de fusion avec un BIC chargé d’ordre supérieur. Les facteurs Q des états radiatifs proches ont été considérablement améliorés pour les états radiatifs proches par rapport aux BIC isolés ou aux BIC fusionnés avec uniquement des charges fondamentales. En bref, la fusion de BIC impliquant des charges d’ordre supérieur peut encore améliorer le confinement de la lumière et supprimer la perte de diffusion causée par les imperfections de fabrication.

En remplaçant les trous cylindriques par des trous cylindriques elliptiques, la symétrie de la structure est réduite et les BIC chargés d’ordre supérieur ne sont plus autorisés au point Γ. En raison de la conservation de la charge topologique, les BIC avec la charge topologique d’ordre supérieur se divisent en BIC hors Γ. Les BIC fractionnés peuvent être réglés dans l’espace de quantité de mouvement en faisant varier les paramètres structurels. Ils peuvent être simultanément réglés sur le point Γ pour former un BIC de fusion, ou sur la même position avec des BIC accidentels et former un BIC de fusion aux points hors Γ.

En faisant tourner des trous cylindriques elliptiques, la symétrie du miroir est davantage brisée et les BIC sont détournés du plan du miroir. En choisissant un angle de rotation et une épaisseur de dalle appropriés, les BIC fusionnés sont orientables avec un élan conçu, ce qui est d’une grande importance pour l’amélioration des performances des applications liées à la direction.