Nanofotoniczne emitery światła to kompaktowe i wszechstronne urządzenia o szerokim zastosowaniu w fizyce stosowanej. W nowym raporcie opublikowanym w dn Postępy naukiKi Young Lee i zespół badawczy w dziedzinie fizyki i inżynierii w Chinach i Wielkiej Brytanii, zaproponowali opracowanie topologicznej struktury emitera wiązki o wielkości submikronowej i wysokiej wydajności, z możliwością dostosowania zdolności kształtowania wiązki.

Proponowane urządzenie umożliwiło stworzenie wysoce pożądanego i wydajnego emitera mikroświatła do wykrywania różnych zastosowań, w tym wyświetlaczy, wykrywania światła półprzewodnikowego, połączeń optycznych i telekomunikacji.

Fotoniczne zjawiska topologiczne

Stany interfejsów topologicznych charakteryzują się niezwykle wysoką odpornością na zakłócenia środowiskowe dzięki unikalnym właściwościom fizycznym. Wielu naukowców zajmujących się matematyką i fotoniką intensywnie badało fotoniczne zjawiska topologiczne ze względu na ich obiecujące zastosowanie w telekomunikacji, przetwarzaniu danych i zastosowaniach czujników.

W tym badaniu Lee i współpracownicy zbadali nowe właściwości optyczne pola dalekiego związane z fotoniką topologiczną niehermitowską. Pokazali, w jaki sposób metapowierzchnia połączenia topologicznego dwóch siatek rezonansowych w trybie prowadzonym może służyć jako wydajne emitery światła w skali submikronowej o wysokiej wydajności kwantowej i możliwości dostosowania kształtowania wiązki.

Podczas eksperymentów zespół wykorzystał złącze zawierające dwie odrębne siatki rezonansowe w trybie kierowania, bezpośrednio przylegające do siebie przy braku apertury. W takich konstrukcjach nieszczelny stan Jackiw-Rebbi (JR) na skrzyżowaniu; co odpowiada historycznie ważnemu modelowi relatywistycznemu — emitowało wąską wiązkę światła. Proces ten był napędzany przez sprzężenie elektrodynamiki wnęki i kwantowej oraz efekty lejka elektromagnetycznego. Zespół zbadał podstawową teorię emisji wiązki topologicznej i przeprowadził rygorystyczne analizy numeryczne podczas badań.

Podstawowe właściwości nieszczelnego stanu JR w metapowierzchni złącza topologicznego. ( A ) Schemat złącza topologicznego składającego się z dwóch różnych cienkowarstwowych siatek podfalowych. (B) Widma odbicia zależne od kąta dla lewej komórki elementarnej w fazie topologicznej (po lewej), prawej komórki elementarnej w fazie trywialnej (po prawej) i ich połączenia (w środku). (C) Amplituda pola elektrycznego Ey stanu wycieku JR przy długości fali λJR = 633 nm. Do obliczeń używamy metody elementów skończonych (Comsol Multiphysics). Kredyt: Postępy naukidoi: 10.1126/sciadv.add8349

Promieniowanie wycieku ze stanu Jackiw-Rebbi (JR).

Lee i in. zbadali nieszczelny stan JR zlokalizowany na fotonicznej metapowierzchni złącza topologicznego, gdzie struktura utrzymywała film o wysokim indeksie. W określonych warunkach dyfrakcja pierwszego rzędu ze stanu JR doprowadziła do promieniowania rozproszenia wiązki w kierunku otaczającego tła, umożliwiając zebranie charakterystycznych cech promieniowania rozproszonego podczas badań.

W oparciu o emisję wąskiej wiązki związaną z nieszczelnym stanem JR zespół zbadał właściwości emisyjne źródeł światła w pobliżu złącza topologicznego. Wykorzystali metodę elementów skończonych do obliczenia charakterystyki promieniowania, która wykazała wąską wiązkę emitowaną w dalekim polu optycznym. Następnie zespół ujawnił możliwość zaprojektowania odpowiedniej struktury, w której dwa obszary siatki miałyby identyczną masę Diraca, aby osiągnąć idealną symetrię emitowanej wiązki.

Podczas tych eksperymentów emisja wąskiej wiązki z izotropowych źródeł światła była zgodna z dokładnymi właściwościami dyfrakcyjnymi wycieku promieniowania ze stanu JR. Zespół wziął również pod uwagę zewnętrzne źródła proponowanego efektu wiązki, co osiągnęli, wprowadzając modyfikacje do konfiguracji eksperymentalnej, w tym między innymi zmniejszony kontrast indeksu i wielowarstwowe falowody sprzężone pionowo.

Lejkowanie elektromagnetyczne i wzmocnienie Purcella źródeł wewnętrznych. ( A ) Rozkład przepływu mocy optycznej (średni czasowo wektor Poyntinga 〈 S 〉 t; czerwone strzałki) dla złącza topologicznego z rozmiarem pasma wzbronionego g = 40 nm w odniesieniu do rozkładu natężenia pola bliskiego (gęstość poziomu szarości). (B i C) Przepływ mocy optycznej wzbudzony przez pojedyncze źródło izotropowe w odległości odpowiednio 1 i 2 μm od złącza (xP = 1 i 2 μm). ( D ) Zależny od pozycji źródła (xP) rozkład natężenia pola dalekiego na płaszczyźnie obserwacyjnej 3, 5 μm nad powierzchnią siatki w funkcji xP. (E) Rozkład czynnika Purcella w porównaniu z rozkładem natężenia pola bliskiego związanym ze stanem JR. Kredyt: Postępy naukidoi: 10.1126/sciadv.add8349

Generowanie wiązki typu flat-top za pomocą kontroli masy Diraca. ( A ) Rozkład masy Diraca m ( x ) dla generowania belki płaskiej. Ma trzy plateau przy m′ = −0,634, 0 i +0,635 μm−1, a powiązane profile intensywności stanu JR i profile emitowanej wiązki są wykreślane razem w celach informacyjnych. (B) Wzór natężenia pola elektrycznego |Ey|2 z projektu konstrukcji na podstawie rozkładu masy Diraca w (A). Struktura urządzenia w tej symulacji ma trzy obszary siatki o różnych współczynnikach wypełnienia przy F = 0,264, 0,46 i 0,7, odpowiadające trzem plateau masy Diraca. Kredyt: Postępy naukidoi: 10.1126/sciadv.add8349

Adaptowalne kształtowanie wiązki

Koncepcja kształtowania wiązki jest ważna dla wielu ogólnych zastosowań źródeł światła. Opisany topologiczny efekt wiązki daje możliwość regulacji kształtu wiązki bezpośrednio ze źródła. Naukowcy opisali rozkład masy Diraca wymagany do wygenerowania oczekiwanego profilu wiązki.

Na przykład, aby wygenerować płaską górną wiązkę, można rozszerzyć obszar o zerowej masie Diraca — na żądaną szerokość i wokół połączenia urządzenia. Wyniki regulacji masy Diraca w trybie rezonansu sterowanego mogą w ten sposób skutecznie ułatwić zastosowania kształtowania wiązki.

Perspektywy

W ten sposób Ki Young Lee i współpracownicy zaproponowali topologiczną metapowierzchnię złącza dla wydajnej emisji wiązki. Symulowali charakterystyczne rozkłady pola nieszczelnego stanu Jackiw-Rabbi na złączu, aby uzyskać wydajne wiązki światła z wewnętrznych emiterów poprzez zintegrowanie sprzężenia elektrodynamiki kwantowej wnęki z efektami lejków elektromagnetycznych.

Zaproponowana architektura ma znaczenie dla stworzenia wydajnych emiterów mikroświatła o silnej lokalizacji, wysokiej wydajności kwantowej i możliwości adaptacyjnego kształtowania wiązki. Te właściwości są istotne dla wielu zastosowań, w tym rozwoju pikseli wyświetlaczy, obróbki laserowej i zastosowań telekomunikacyjnych. Proponowane urządzenia mogą również działać jako wydajne detektory optyczne ze względu na zakres działania zasadniczo jako emitery odwrócone w czasie. Naukowcy proponują dalsze optymalizacje wyników badań w celu opracowania nowych efektów optycznych i towarzyszących im zastosowań urządzeń, aby przekroczyć wszelkie istniejące ograniczenia techniczne.

© 2022 Sieć Science X