Cristaux photoniques de vallée bidimensionnels à double polarisation

L’introduction de la topologie dans les systèmes photoniques a attiré une attention considérable non seulement pour le moulage élaboré de la lumière, mais aussi pour ses applications pratiques dans de nouveaux dispositifs photoniques. À l’origine, l’effet Hall quantique de la lumière était réalisé dans des cristaux photoniques (PC) en introduisant des champs électriques ou magnétiques externes pour briser la symétrie d’inversion du temps (TRS).

Au lieu de briser le TRS, l’effet Hall de spin quantique de la lumière a été obtenu dans des systèmes préservés par TRS où des pseudospins photoniques peuvent être construits. Récemment, l’effet Hall de vallée de la lumière a été réalisé en introduisant le degré de liberté de vallée binaire (DoF) dans les systèmes photoniques. L’une des caractéristiques essentielles de l’effet Hall de la vallée est la bande interdite photonique non triviale, caractérisée par le nombre de Chern de la vallée non nul.

De plus, les modes de bord dépendant de la vallée sont pris en charge au niveau du mur de domaine qui se compose de deux PC avec des nombres de Chern de vallée opposée. L’effet Valley Hall de la lumière est généralement réalisé dans un PC à réseau triangulaire avec une symétrie de miroir brisée ou dans un PC à réseau en nid d’abeille avec une symétrie d’inversion spatiale brisée, et il est compatible avec la technique de fabrication nanophotonique existante.

Pour ces avantages, les PC de vallée ont reçu une attention significative dans la photonique intégrée et sont prometteurs dans des applications telles que les guides d’ondes, les séparateurs de faisceau, les résonateurs en anneau, etc. D’autre part, en tant que l’un des DoF de la lumière, la polarisation a été largement appliquée dans le multiplexage dispositifs. L’exploration de l’effet Hall de vallée dépendant de la polarisation, qui introduit un DoF conventionnel de lumière dans les PC topologiques, élargira encore le champ d’application de la photonique topologique.

Récemment, Xiao-Dong Chen, Jian-Wen Dong et al. de l’Université Sun Yat-sen a proposé l’effet Hall de la vallée de polarisation de la lumière dans un PC à réseau triangulaire 2D. Les résultats de la recherche ont été intitulés « Cristaux photoniques de vallée bidimensionnelle à double polarisation » et publiés dans Science Chine Physique, mécanique et astronomie.

La dégénérescence accidentelle des fréquences des cônes de Dirac avec des polarisations TE et TM, c’est-à-dire des cônes de Dirac à double polarisation accidentelle, est réalisée en modifiant le taux de remplissage des tiges métalliques dans le fond diélectrique. Les nombres de Chern de la vallée dépendant de la polarisation sont confirmés en analysant la distribution de phase vortex des champs propres et en calculant la courbure de Berry dans l’espace des impulsions.

Les bandes interdites polarisées TE et TM résultantes avec des nombres de Chern de vallée opposée conduisent à l’effet Hall de la vallée de polarisation de la lumière. Un phénomène clé de l’effet Hall de la vallée de polarisation de la lumière, c’est-à-dire la réfraction dépendante de la polarisation des modes massifs dans le milieu homogène, est démontré. Une telle caractéristique dépendante de la polarisation est utile dans le multiplexage des dispositifs photoniques, par exemple les séparateurs de faisceaux à polarisation.

Outre les phénomènes dépendant de la polarisation, le transport de vallée topologique indépendant de la polarisation est également présenté, ce qui répond au désir d’augmenter la capacité d’information dans l’interconnexion optique en introduisant la polarisation DoF.

Il convient de noter que les résultats présentés sont généraux car l’exigence clé est de trouver deux bandes interdites photoniques de vallée dépendantes de la polarisation partageant la même gamme de fréquences. De plus, l’introduction de la polarisation dans d’autres phases topologiques peut entraîner des phénomènes intrigants fructueux, notamment des états de coin topologiques d’ordre supérieur dépendant de la polarisation, etc.

Ce travail a proposé une approche pour appliquer la polarisation DoF dans les PC 2D Valley Hall. L’introduction de la polarisation DoF dans la photonique topologique a enrichi la manipulation du champ lumineux et a offert un potentiel d’application plus profond pour la photonique topologique.