Experimentell realisering av topologiskt kontrollerad THz-lokalisering. (a) Illustration av icke-linjär generering och inneslutning av THz-vågor i en mikrostruktur av SSH-typ. LN-strukturen genomgår en övergång från L-LD, genom ekvidistanta, till S-SD-regioner längs +z-axeln, illustrerade av färger skuggade från orange till blått. Polariseringen av det elektriska THz-fältet och den för den optiska pumpstrålen är längs hela riktningen för den LN-kristallina axeln (z-axeln). (b) Mikroskopbild av LN-arraystrukturen tillverkad av fs-laserskrivning. Tjockleken på LN-chippet är 50 μm i y-riktningen. Den totala längden av mikrostrukturen längs z-riktningen är L=6mm. dl och d2 är avstånden mellan angränsande LN-remsor som motsvarar kopplingskoefficienterna cl respektive c2. Vid den streckade gula linjen, z = L/2 och d1 = d2 = 55 μm, vilket leder till en struktur på samma avstånd. Kredit:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
Kompakta terahertz-funktionella enheter är mycket användbara för trådlös höghastighetskommunikation, biokemisk avkänning och oförstörande inspektion. Men kontrollerad terahertzgenerering, tillsammans med transport och detektering, är en utmaning för enheter i chipskala, på grund av låg kopplingseffektivitet och absorptionsförluster. I en ny rapport som nu publicerats i Nature:Light Science &Applications , Jiayi Wang, Shiai Xia och Ride Wang och ett team av forskare inom fysik, biofysik och olinjär fotonik, vid Nankai University, Kina och INRS-ENT, Kanada, genererade olinjära och topologiskt avstämda inneslutningar av terahertzvågor i en konstruerad litiumniobat chip. Teamet mätte experimentellt bandstrukturerna för att ge direkt visualisering av terahertz-lokaliseringen i momentumutrymmet. Resultaten ger nya möjligheter att realisera terahertz integrerade kretsar för avancerade fotoniska applikationer.
Justera terahertz på ett fotonchip av litiumniobat
Utvecklingen av tillförlitlig terahertz-teknik drivs främst av en hög efterfrågan på applikationer inklusive trådlös kommunikation
signalbehandling och biosensing, samt oförstörande utvärdering. Bristen på integrerade funktionella enheter i terahertz-serien har dock begränsat deras applikationer, och det är utmanande att styra terahertz-våglängder på grund av förluster som uppstår från kritiska egenskaper i spektrumet. Forskare har lett enorma ansträngningar för att utforska olika design och tillvägagångssätt för terahertzkällor via en mängd olika plattformar, inklusive metamaterial, olinjära metasytor, plasmoniska vågor och vågblandning i jonkristaller och tidsdomänintegrering av terahertzpulser.
I detta arbete föreslog och utvecklade Wang et al ett schema för olinjär generering och topologiskt avstämd inneslutning av terahertzvågor för att fullt ut förverkliga fenomenet på ett enda fotoniskt litiumniobatchip. Processen förlitade sig på en fotonisk mikrostruktur innehållande litiumniobatvågledarränder som kunde genomgå topologiskt triviala och icke-triviala övergångar. Teamet använde femtosekund-laserskrivteknik för att utveckla konstruktionen med en topologisk defekt vid det centrala gränssnittet. De mätte terahertz-fältet via pump-probe-experiment för att visa avstämbar inneslutning längs chippet, i förhållande till variationen av geometrin hos den fotoniska strukturen. Resultaten gav en tydlig indikation på inneslutning av terahertzvågor som ett resultat av topologiskt skydd.
Egenvärden och representativa egenmodsfördelningar i SSH-typ LN topologisk struktur. (a) Beräknad egenvärdesfördelning av mikrostrukturen längs z-axeln. Den gula linjen representerar den ekvidistanta strukturen vid z = L/2 (d1 = d2 = 55 μm), vilket markerar fasövergångspunkten. Den vänstra sidan av den gula linjen (z < L/2) är L-LD-regionen, där topologiska defektlägen betecknas med röda prickar. Den högra sidan (z > L/2) indikerar S-SD-regionen, där topologiskt icke-triviala och triviala defektlägen är markerade med gröna respektive blå prickar. Grå prickar representerar bulklägen. b1 Topologisk defektmod runt 0,3 THz i L-LD-strukturen vid z = 0. b2 Moden runt 0,3 THz i den ekvidistanta strukturen vid z = L/2. b3, b4 Topologiskt trivialt läge runt 0,42 THz (b3) och icke-trivialt läge runt 0,3 THz (b4) i S-SD-strukturen vid z = L. Kredit:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
Inom fysiken är en standardteknik för generering av terahertzvågor baserad på optisk likriktning som kan induceras via femtosekundlaserpulser i andra ordningens icke-linjära kristaller. Under de senaste fyra decennierna har forskare utvecklat en rad metoder för att förbättra terahertzgenereringseffektiviteten, för att aktivera en smal terahertzbandbredd och minska frekvensavklingningen i litiumniobatkristaller. Forskare hade också genererat avstämbara terahertz-pulser i olinjära litiumniobatkristaller via ultrakorta laserpulser. Snabba förbättringar på fältet har lett till nya metoder för lokalisering och instängningar av THZ-vågor. Wang et al använde ett fotoniskt gitter av Su-Schrieffer-Heeger gittertyp på ett litiumniobatchip för att uppnå avstämbar topologisk terahertz-våglokalisering. Gittret gav en prototypisk topologisk modell med omfattande demonstrationer inom fotonik och plasmonik. Sådana modeller var tidigare tillämpliga för att generera robusta, intrasslade fotonpar, för att förbättra icke-linjär harmonisk generering, realisera topologisk lasring och icke-hermitiska topologiska tillstånd, bortsett från terahertz-våglängdsregimen.
För att förverkliga den föreslagna terahertz-fältmanipulationen, utförde Wang et al en serie experiment, med en typisk pump-sonduppställning. Under experimenten använde teamet en femtosekundspumpstråle för att generera terahertzvågor som begränsade de utvecklande vågorna i chippet istället för ledigt utrymme. Teamet utökade schemat till att inkludera integrerade topologiska kretsar i kompakta terahertz-enheter. De upptäckte vågorna genom att använda en tidsupplöst avbildningsmetod, baserad på en faskontrastavbildningsmetod för att övervaka brytningsindexförändringen inducerad av terahertzvågor. Utfallen indikerade en topologisk defekt, som stämde väl överens med beräkningarna. Resultaten visade tydligt hur de genererade terahertzvågorna starkt kan begränsas nära konstruktionens mittdefekt, bort från övergångspunkten. Wang et al bekräftade resultaten med numeriska simuleringar, som stämde väl överens.
Experimentella (två översta raderna) och numeriska (nedre två raderna) demonstrationer av topologiskt kontrollerad THz-inneslutning i LN-chippet från L-LD, genom ekvidistanta, till S-SD-regioner av det kilformade SSH-fotoniska gittret. (a–e) motsvarar platser (A–E) markerade i fig. 1b. a1–e1 Uppmätta spektra vid motsvarande positioner. a2–e2 Energifördelning av lägena som visar olika inneslutning av de genererade THz-vågorna i LN-chippet. a3–e3 Simulerade x−t-diagram som visar THz-vågornas utveckling i olika regioner, där a4–e4 är motsvarande spektra. Gitterplatserna illustreras av vita bockmarkeringar i a3–e3, och a in (a1, a4) är gitterkonstanten för motsvarande L-LD-struktur. Kredit:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
Distinktion mellan topologiskt icke-triviala och triviala defektlägen under kirala störningar. (a1) Calculation of the eigenvalue distribution ε under 500 sets of off-diagonal perturbations in the L-LD structure. The red dots (forming a line) represent the eigenvalues associated to the topological mode and the gray dots show the distribution of the bulk modes. (a2) Simulation of the x−t diagram for the central defect excitation under perturbations. (a3) The corresponding spectrum of (a2). b1–b3 have the same layout as (a1–a3) but for the S-SD structure, where green and blue dots denote nontrivial and trivial defect modes, respectively. c Plot of p versus perturbation strength ξ, where p=nbulk/nall, with nbulk defined as the number of perturbation sets that result in coupling of the trivial defect mode with the bulk modes and nall as the total number of perturbation sets (in this case nall=500). Red and green lines illustrate the nontrivial modes in the L-LD and S-SD structures, respectively, while the blue line is for the trivial defect mode in the S-SD structure. Credit:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
In this way, Jiayi Wang, Shiai Xia and Ride Wang developed a scheme for nonlinear generation of topologically tuned terahertz wave confinement on a single photonic chip. The theory was in good agreement with the experimental observations to substantiate the distinctive features of terahertz topological states. The work provides a flexible and convenient platform to tune the confinement and topological properties of terahertz waves on demand, to open new avenues to implement versatile, stable and compact terahertz photonic integrated circuits, for a variety of applications, including future topology-driven photonic technology. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
