Les émetteurs de lumière nanophotoniques sont des dispositifs compacts et polyvalents avec applications étendues en physique appliquée. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiquesKi Young Lee et une équipe de recherche en physique et en ingénierie en Chine et au Royaume-Uni, ont proposé de développer une structure d’émetteur de faisceau topologique d’une taille d’empreinte submicronique et à haut rendement, avec une capacité de mise en forme de faisceau adaptable.
Le dispositif proposé a facilité un émetteur de microlumière hautement souhaitable et efficace pour détecter une variété d’applications, y compris les écrans, la détection de lumière à semi-conducteurs, les interconnexions optiques et les télécommunications.
Phénomènes topologiques photoniques
Les états d’interface topologiques ont une robustesse remarquablement élevée contre les perturbations environnementales avec des propriétés physiques uniques. De nombreux chercheurs en mathématiques et en photonique ont étudié de manière approfondie les phénomènes topologiques photoniques en raison de leur promesse dans les télécommunications, le traitement des données et les applications de capteurs.
Dans cette étude, Lee et ses collègues ont exploré de nouvelles propriétés optiques de champ lointain associées à non hermitien photonique topologique. Ils ont montré comment un métasurface de jonction topologique de deux réseaux de résonance en mode guidé peuvent servir d’émetteurs de lumière efficaces à l’échelle submicronique avec une efficacité quantique élevée et une capacité de mise en forme de faisceau adaptable.
Au cours des expériences, l’équipe a utilisé une jonction contenant deux réseaux résonnants en mode guidé distincts directement adjacents l’un à l’autre en l’absence d’ouverture. Dans de telles structures, les fuites État de Jackiw-Rebbi (JR) À la jonction; qui correspond à un modèle relativiste historiquement important— a émis un faisceau lumineux étroit. Le processus a été piloté par le couplage électrodynamique cavité-quantique et les effets d’entonnoir électromagnétique. L’équipe a exploré une théorie fondamentale de l’émission topologique du faisceau et effectué des analyses numériques rigoureuses au cours de l’étude.
Rayonnement de fuite d’un état Jackiw-Rebbi (JR)
Lee et al. ont exploré l’état de fuite JR localisé au niveau d’une métasurface de jonction topologique photonique, où la structure maintenait un film à indice élevé. Dans des conditions spécifiques, la diffraction du premier ordre à partir de l’état JR a conduit à un rayonnement de fuite de faisceau vers le fond environnantpermettant de recueillir au cours de l’étude les caractéristiques du rayonnement de fuite.
Sur la base de l’émission à faisceau étroit associée à l’état de fuite JR, l’équipe a étudié les propriétés d’émission des sources lumineuses à proximité de la jonction topologique. Ils ont utilisé le méthode des éléments finis pour calculer le diagramme de rayonnement, qui montrait un faisceau étroit émis dans le champ optique lointain. L’équipe a ensuite révélé la possibilité de concevoir une structure appropriée, où deux régions de réseau auraient une masse de Dirac identique pour obtenir une symétrie idéale du faisceau émis.
Au cours de ces expériences, l’émission du faisceau étroit des sources lumineuses isotropes a suivi les propriétés de diffraction exactes de la fuite de rayonnement de l’état JR. L’équipe a également pris en compte des sources externes pour l’effet de faisceau proposé, qu’elle a accompli en introduisant des modifications dans la configuration expérimentale, notamment un contraste d’indice réduit et des guides d’ondes multicouches couplés verticalement, entre autres modifications.
Façonnage de faisceau adaptable
Le concept de mise en forme du faisceau est important pour de nombreuses applications générales des sources lumineuses. L’effet de rayonnement topologique décrit offre la possibilité de régler la forme du faisceau directement à partir de la source. Les scientifiques ont décrit la Distribution de masse Dirac nécessaire pour générer le profil de faisceau attendu.
Par exemple, pour générer un faisceau supérieur plat, une région de masse de Dirac nulle peut être étendue – sur la largeur souhaitée et autour de la jonction du dispositif. Les résultats de la régulation de masse de Dirac par résonance en mode guidé peuvent ainsi faciliter efficacement les applications de mise en forme de faisceau.
Perspectives
De cette manière, Ki Young Lee et ses collègues ont proposé une métasurface de jonction topologique pour une émission de faisceau efficace. Ils ont simulé les distributions de champ caractéristiques d’un état Jackiw-Rabbi qui fuit à la jonction pour obtenir un rayonnement lumineux efficace à partir d’émetteurs internes en intégrant le couplage électrodynamique cavité-quantique avec des effets d’entonnoir électromagnétique.
L’architecture proposée est importante pour la création d’émetteurs de micro-lumière efficaces pour une localisation forte, une efficacité quantique élevée et une capacité de mise en forme de faisceau adaptable. Ces propriétés sont importantes pour de nombreuses applications, notamment le développement de pixels d’affichage, l’usinage laser et les applications de télécommunications. Les dispositifs proposés sont également capables de fonctionner comme des détecteurs optiques efficaces en raison de leur capacité à agir comme émetteurs inversés dans le temps, en principe. Les scientifiques proposent d’autres optimisations des résultats de l’étude pour développer de nouveaux effets optiques et des applications de dispositifs concomitants afin de dépasser toutes les limites techniques existantes.
Plus d’information:
Ki Young Lee et al, Rayonnement topologique de la lumière, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.add8349
Alexander Cerjan et al, Réalisation expérimentale d’un anneau exceptionnel de Weyl, Photonique de la nature (2019). DOI : 10.1038/s41566-019-0453-z
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