Realizzazione sperimentale di localizzazione THz topologicamente controllata. (a) Illustrazione della generazione non lineare e del confinamento delle onde THz in una microstruttura di tipo SSH. La struttura LN subisce una transizione da L-LD, attraverso equidistanti, alle regioni S-SD lungo l'asse +z, illustrata da colori sfumati dall'arancione al blu. La polarizzazione del campo elettrico THz e quella del fascio della pompa ottica sono tutte lungo la direzione dell'asse cristallino LN (asse z). (b) Immagine al microscopio della struttura dell'array LN fabbricata mediante scrittura fs-laser. Lo spessore del chip LN è 50 μm nella direzione y. La lunghezza totale della microstruttura lungo la direzione z è L=6 mm. d1 e d2 sono le distanze tra strisce LN adiacenti corrispondenti rispettivamente ai coefficienti di accoppiamento c1 e c2. Sulla linea gialla tratteggiata, z = L/2 e d1 = d2 = 55 μm, che porta a una struttura equidistante. Credito:Luce:scienza e applicazioni (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
I dispositivi funzionali terahertz compatti sono estremamente utili per la comunicazione wireless ad alta velocità, il rilevamento biochimico e l'ispezione non distruttiva. Tuttavia, la generazione controllata di terahertz, insieme al trasporto e al rilevamento, è una sfida per i dispositivi su scala di chip, a causa della bassa efficienza di accoppiamento e delle perdite di assorbimento. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Natura:Scienze della luce e applicazioni , Jiayi Wang, Shiai Xia e Ride Wang e un team di ricercatori in fisica, biofisica e fotonica non lineare, presso l'Università di Nankai, Cina e INRS-ENT, Canada, hanno generato un confinamento non lineare e topologicamente sintonizzato delle onde terahertz in un niobato di litio ingegnerizzato patata fritta. Il team ha misurato sperimentalmente le strutture delle bande per fornire una visualizzazione diretta della localizzazione dei terahertz nello spazio della quantità di moto. I risultati forniscono nuove possibilità per realizzare circuiti integrati terahertz per applicazioni fotoniche avanzate.
Sintonizzazione terahertz su un chip fotonico al niobato di litio
Lo sviluppo di una tecnologia terahertz affidabile è guidato principalmente da una forte domanda di applicazioni, comprese le comunicazioni wireless
elaborazione del segnale e biorilevamento, nonché valutazione non distruttiva. La mancanza di dispositivi funzionali integrati nella gamma dei terahertz ha, tuttavia, limitato le loro applicazioni ed è difficile guidare le lunghezze d'onda dei terahertz a causa delle perdite derivanti da caratteristiche critiche dello spettro. I ricercatori hanno condotto enormi sforzi per esplorare diversi progetti e approcci per sorgenti terahertz attraverso una varietà di piattaforme, inclusi metamateriali, metasuperfici non lineari, onde plasmoniche e miscelazione di onde in cristalli ionici e integrazione nel dominio del tempo degli impulsi terahertz.
In questo lavoro, Wang et al hanno proposto e sviluppato uno schema per la generazione non lineare e il confinamento topologicamente sintonizzato delle onde terahertz per realizzare pienamente il fenomeno su un singolo chip fotonico di niobato di litio. Il processo si basava su una microstruttura fotonica contenente strisce di guida d'onda di niobato di litio che potevano subire transizioni topologicamente banali e non banali. Il team ha utilizzato la tecnologia di scrittura laser a femtosecondi per sviluppare il costrutto con un difetto topologico all'interfaccia centrale. Hanno misurato il campo terahertz tramite un esperimento con sonda a pompa per mostrare un confinamento regolabile lungo il chip, relativo alla variazione della geometria della struttura fotonica. I risultati hanno fornito una chiara indicazione del confinamento delle onde terahertz come risultato della protezione topologica.
Autovalori e distribuzioni automodi rappresentative nella struttura topologica LN di tipo SSH. (a) Distribuzione degli autovalori calcolata della microstruttura lungo l'asse z. La linea gialla rappresenta la struttura equidistante a z = L/2 (d1 = d2 = 55 μm), che segna il punto di transizione di fase. Il lato sinistro della linea gialla (z < L/2) è la regione L-LD, dove le modalità dei difetti topologici sono indicate da punti rossi. Il lato destro (z > L/2) indica la regione S-SD, dove le modalità di difetto topologicamente non banale e banale sono contrassegnate rispettivamente da punti verdi e blu. I punti grigi rappresentano le modalità di massa. b1 La modalità del difetto topologico intorno a 0,3 THz nella struttura L-LD a z = 0. b2 La modalità intorno a 0,3 THz nella struttura equidistante a z = L/2. b3, b4 Modalità topologica banale intorno a 0,42 THz (b3) e modalità non banale intorno a 0,3 THz (b4) nella struttura S-SD a z = L. Credito:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
In fisica, una tecnica standard per la generazione di onde terahertz si basa sulla rettifica ottica che può essere indotta tramite impulsi laser a femtosecondi in cristalli non lineari del secondo ordine. Negli ultimi quattro decenni, gli scienziati hanno sviluppato una serie di metodi per migliorare l'efficienza della generazione di terahertz, attivare una larghezza di banda terahertz ridotta e ridurre il decadimento della frequenza nei cristalli di niobato di litio. I ricercatori hanno anche generato impulsi terahertz sintonizzabili in cristalli di niobato di litio non lineari tramite impulsi laser ultracorti. I rapidi miglioramenti nel campo hanno portato a nuovi metodi per la localizzazione e il confinamento delle onde THZ. Wang et al hanno utilizzato un reticolo fotonico di tipo reticolare Su-Schrieffer-Heeger su un chip di niobato di litio per ottenere la localizzazione topologica delle onde terahertz sintonizzabili. Il reticolo ha fornito un modello topologico prototipo con dimostrazioni diffuse in fotonica e plasmonica. Tali modelli erano precedentemente applicabili per generare coppie di fotoni robusti e entangled, per migliorare la generazione armonica non lineare, realizzare lasing topologico e stati topologici non hermitiani, a parte il regime di lunghezza d'onda terahertz.
Per realizzare la proposta manipolazione del campo terahertz, Wang et al hanno eseguito una serie di esperimenti, con una tipica configurazione a pompa-sonda. Durante gli esperimenti, il team ha utilizzato un raggio di pompa a femtosecondi per generare onde terahertz confinando le onde in evoluzione all'interno del chip anziché nello spazio libero. Il team ha esteso lo schema per includere circuiti topologici integrati in dispositivi terahertz compatti. Hanno rilevato le onde utilizzando un metodo di imaging a risoluzione temporale, basato su un metodo di imaging a contrasto di fase per monitorare la variazione dell'indice di rifrazione indotta dalle onde terahertz. I risultati hanno indicato un difetto topologico, che era in buon accordo con i calcoli. I risultati hanno mostrato chiaramente come le onde terahertz generate possano essere fortemente confinate vicino al difetto centrale del costrutto, lontano dal punto di transizione. Wang et al hanno confermato i risultati con simulazioni numeriche, che erano in buon accordo.
Dimostrazioni sperimentali (due righe superiori) e numeriche (due righe inferiori) del confinamento THz topologicamente controllato nel chip LN da L-LD, attraverso equidistanti, a regioni S-SD del reticolo fotonico SSH a forma di cuneo. (a–e) corrispondono alle posizioni (A–E) contrassegnate in Fig. 1b. a1–e1 Spettri misurati nelle posizioni corrispondenti. a2–e2 Distribuzione dell'energia delle modalità che mostrano un diverso confinamento delle onde THz generate nel chip LN. a3–e3 Diagrammi x−t simulati che mostrano l'evoluzione delle onde THz in diverse regioni, dove a4–e4 sono gli spettri corrispondenti. I siti del reticolo sono illustrati da segni di spunta bianchi in a3–e3 e a in (a1, a4) è la costante del reticolo per la corrispondente struttura L-LD. Credito:Luce:scienza e applicazioni (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
Distinction between topologically nontrivial and trivial defect modes under chiral perturbations. (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. + Esplora ulteriormente
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