un, Lastra PhC a indice zero senza BIC. Una modalità di dipolo fotonico che forma l'indice zero provoca una radiazione fuori piano, aumentando drasticamente la perdita di propagazione del materiale. B, Lastra PhC a indice zero con BIC. Ad una determinata altezza, tutta la radiazione fuori piano verso l'alto/il basso interferisce in modo distruttivo. Credito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haon Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, e Yang Li
Un indice di rifrazione pari a zero induce un vettore d'onda con ampiezza nulla e direzione indefinita. Perciò, la luce che si propaga all'interno di un mezzo a indice zero non accumula alcun anticipo di fase spaziale, con conseguente perfetta coerenza spaziale. Tale coerenza porta diverse potenziali applicazioni, comprese guide d'onda di forma arbitraria, propagazione non lineare priva di disallineamento di fase, laser monomodali a grande area, ed esteso super splendore. Una piattaforma promettente per realizzare queste applicazioni è un materiale Dirac-cone integrato che presenta un indice zero corrispondente all'impedenza. Però, sebbene questa piattaforma elimini le perdite ohmiche tramite la sua struttura puramente dielettrica, comporta ancora una perdita di radiazione fuori piano (circa 1 dB/μm), limitando le applicazioni su piccola scala.
Nel 2018, Il gruppo di ricerca del professor Shanhui Fan presso la Stanford University ha progettato un materiale a basso indice di Dirac-cone a indice zero basato su stati legati protetti da simmetria nel continuum (BIC). Però, questo cono di Dirac è costituito da modi di ordine superiore, quindi è difficile omogeneizzare la lastra di cristallo fotonico come mezzo di massa a indice zero.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Yang Li del Dipartimento di strumenti di precisione dell'Università di Tsinghua, Cina, Professor Eric Mazur della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences dell'Università di Harvard, gli Stati Uniti, Professor Weiguo Chu del Nanofabrication Laboratory presso il National Center for Nanoscience and Technology, Cina, e i colleghi hanno ottenuto un progetto a indice zero basato su una lastra di cristallo fotonico puramente dielettrico (lastra PhC). Questo progetto supporta una degenerazione accidentale del cono di Dirac di una modalità monopolo elettrico e una modalità dipolo magnetico al centro della zona di Brillouin. Tale progettazione basata su modalità di basso ordine può essere trattata meglio come un mezzo omogeneo a indice zero.
un, Schema tridimensionale di una lastra PhC a indice zero e della sua cella unitaria, costituito da pilastri di silicio annegati nel biossido di silicio. B, Sweep di parametri per la progettazione di una lastra PhC a indice zero BIC. Fattore di qualità del modo dipolo (mappa dei colori) e degenerazione dei modi monopolo e dipolo al centro della zona di Brillouin (linea bianca) in funzione del raggio e dell'altezza del pilastro. Il punto rosso indica la degenerazione di una modalità monopolo e di una modalità dipolo ad alto Q. C, Superfici di dispersione tridimensionale che mostrano la dispersione del cono di Dirac corrispondente ai parametri ottimizzati in corrispondenza del punto rosso in (b). D, Indice effettivo e perdita di propagazione della lastra di PhC. Quando la parte reale dell'indice effettivo incrocia lo zero, la curva di perdita raggiunge la sua valle (~0.15 dB/mm), che indica un indice zero a perdita ultra bassa. Credito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haon Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, e Yang Li
Il loro design consiste in una matrice quadrata di pilastri di silicio incorporati in una matrice di fondo di biossido di silicio, caratterizzato da una facile fabbricazione utilizzando processi planari standard. Per ridurre la perdita di radiazioni, modellano le interfacce superiore e inferiore di una lastra PhC a indice zero come due specchi parzialmente riflettenti per formare una cavità Fabry-Pérot (FP). Quindi, regolano lo spessore di questa cavità FP per indurre l'interferenza distruttiva delle radiazioni ascendenti (discendenti) nel campo lontano. Dentro ogni pilastro, ci sono modalità di propagazione assiale con simmetria dipolare che mostrano una fase di andata e ritorno di un multiplo intero di 2π, diventando quindi modalità intrappolate dalla risonanza. Il modo monopolare non si irradia nella direzione fuori piano a causa della sua simmetria intrinseca del modo.
"Il nostro design mostra una perdita di propagazione nel piano di appena 0,15 dB/mm alla lunghezza d'onda di indice zero. Inoltre, l'indice di rifrazione è vicino allo zero (|neff| <0,1) su una larghezza di banda del 4,9%, " Dichiarò Tian Dong.
a-b, La lastra di PhC è eccitata da un incidente di onda piana da sinistra. Alle condizioni dei BIC, la luce incidente può propagarsi a lunga distanza con poca perdita. Però, senza BIC, il campo elettrico decade bruscamente all'estremità di ingresso della lastra di PhC. cd, Un dipolo elettrico al centro della lastra PhC a indice zero BIC si irradia in modo omnidirezionale su una vasta area. Però, un dipolo elettrico al centro della lastra PhC a indice zero senza BIC può irradiare solo su una piccola area. Credito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haon Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, e Yang Li
Per le applicazioni, Yueyang Liu prevede:"Le nostre lastre PhC a indice zero BIC Dirac-cone on-chip forniscono una lunghezza di coerenza infinita con una bassa perdita di propagazione. Ciò apre la porta ad applicazioni di materiali a indice zero di ampia area in ottica lineare e non lineare, nonché laser Ad esempio, tunneling di energia elettromagnetica attraverso una guida d'onda a indice zero con una forma arbitraria, generazione di luce non lineare senza disadattamento di fase su una lunga lunghezza di interazione, e laser su una vasta area in un'unica modalità."
"Questo lavoro può anche fungere da laboratorio su chip per esplorare l'ottica quantistica fondamentale come la generazione efficiente di coppie di fotoni entangled e l'emissione collettiva di molti emettitori. In particolare, poiché la distribuzione spaziale di Ez in ciascun pilastro di silicio oscilla tra un modo monopolare e un modo dipolo col passare del tempo, tutti gli emettitori quantistici all'interno dei pilastri sperimenteranno la stessa fase spaziale nel semiciclo del monopolo. Ciò allevia significativamente la sfida del posizionamento preciso degli emettitori quantistici in una cavità fotonica, " Yueyang Liu ha aggiunto.
