a, Losa PhC de índice cero sin BIC. Un modo de dipolo fotónico que forma el índice cero da como resultado una radiación fuera del plano, aumentando drásticamente la pérdida de propagación del material. B, Losa PhC de índice cero con BIC. A una altura particular, toda la radiación fuera del plano ascendente / descendente interfiere destructivamente. Crédito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, y Yang Li
Un índice de refracción de cero induce un vector de onda con amplitud cero y dirección indefinida. Por lo tanto, la luz que se propaga dentro de un medio de índice cero no acumula ningún avance de fase espacial, resultando en una perfecta coherencia espacial. Tal coherencia trae varias aplicaciones potenciales, incluyendo guías de ondas de forma arbitraria, propagación no lineal sin desajustes de fase, láseres monomodo de área grande, y super resplandor extendido. Una plataforma prometedora para lograr estas aplicaciones es un material de cono Dirac integrado que presenta un índice cero de impedancia igualada. Sin embargo, aunque esta plataforma elimina las pérdidas óhmicas a través de su estructura puramente dieléctrica, todavía implica una pérdida de radiación fuera del plano (alrededor de 1 dB / μm), restringiendo las aplicaciones a pequeña escala.
En 2018, El grupo de investigación del profesor Shanhui Fan en la Universidad de Stanford diseñó un material de índice cero de cono de Dirac de baja pérdida basado en estados enlazados protegidos por simetría en el continuo (BIC). Sin embargo, este cono de Dirac consta de modos de orden superior, por lo tanto, es un desafío homogeneizar la placa de cristal fotónico como un medio de índice cero a granel.
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Yang Li del Departamento de Instrumentos de Precisión de la Universidad de Tsinghua, Porcelana, El profesor Eric Mazur de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard, los Estados Unidos, El profesor Weiguo Chu del Laboratorio de Nanofabricación del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología, Porcelana, y compañeros de trabajo lograron un diseño de índice cero basado en una losa de cristal fotónico puramente dieléctrico (losa de PhC). Este diseño admite una degeneración accidental del cono de Dirac de un modo monopolo eléctrico y un modo dipolo magnético en el centro de la zona de Brillouin. Este diseño basado en modos de bajo orden puede tratarse mejor como un medio homogéneo de índice cero.
a, Esquema tridimensional de una losa PhC de índice cero y su celda unitaria, formado por pilares de silicio incrustados en dióxido de silicio. B, Barrido de parámetros para el diseño de una losa de PhC de índice cero BIC. Factor de calidad del modo dipolo (mapa de colores) y degeneración de los modos monopolo y dipolo en el centro de la zona de Brillouin (línea blanca) en función del radio y la altura del pilar. El punto rojo indica la degeneración de un modo monopolo y un modo dipolo de Q alto. C, Superficies de dispersión tridimensionales que muestran la dispersión del cono de Dirac correspondiente a los parámetros optimizados en el punto rojo en (b). D, Pérdida efectiva de índice y propagación de la losa PhC. Cuando la parte real del índice efectivo cruza cero, la curva de pérdida alcanza su valle (~ 0,15 dB / mm), lo que indica un índice cero de pérdidas ultrabajas. Crédito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, y Yang Li
Su diseño consiste en una matriz cuadrada de pilares de silicio incrustados en una matriz de fondo de dióxido de silicio, presenta una fabricación fácil utilizando procesos planos estándar. Para reducir la pérdida de radiación, modelan las interfaces superior e inferior de una losa de PhC de índice cero como dos espejos parcialmente reflectantes para formar una cavidad Fabry-Pérot (FP). Luego, ajustan el grosor de esta cavidad FP para inducir una interferencia destructiva de radiaciones ascendentes (descendentes) en el campo lejano. Dentro de cada pilar, hay modos de propagación axial con simetría dipolo que muestran una fase de ida y vuelta de un múltiplo entero de 2π, convirtiéndose por tanto en modos atrapados por resonancia. El modo monopolo no irradia en la dirección fuera del plano debido a su simetría de modo intrínseco.
"Nuestro diseño presenta una pérdida de propagación en el plano de tan solo 0,15 dB / mm en la longitud de onda de índice cero. Además, el índice de refracción es cercano a cero (| neff | <0,1) en un ancho de banda del 4,9%, ", Declaró Tian Dong.
a-b, La losa de PhC es excitada por una onda plana incidente desde la izquierda. Bajo las condiciones de los BIC, la luz incidente puede propagarse a gran distancia con poca pérdida. Sin embargo, sin BIC, el campo eléctrico decae bruscamente en el extremo de entrada de la losa de PhC. CD, Un dipolo eléctrico en el centro de la losa de PhC de índice cero BIC irradia omnidireccionalmente sobre un área grande. Sin embargo, un dipolo eléctrico en el centro de la losa de PhC de índice cero sin BIC solo puede irradiar sobre un área pequeña. Crédito:Tian Dong, Jiujiu Liang, Philip Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, y Yang Li
Para aplicaciones, Yueyang Liu predice:"nuestras losas de PhC de índice cero de cono Dirac BIC en chip proporcionan una longitud de coherencia infinita con baja pérdida de propagación. Esto abre la puerta a aplicaciones de materiales de índice cero de área grande en óptica lineal y no lineal, así como láseres. Por ejemplo, túnel de energía electromagnética a través de una guía de ondas de índice cero con una forma arbitraria, generación de luz no lineal sin desajuste de fase a lo largo de una larga interacción, y láser sobre un área grande en un solo modo ".
"Este trabajo también puede servir como un laboratorio en chip para explorar la óptica cuántica fundamental, como la generación eficiente de pares de fotones entrelazados y la emisión colectiva de muchos emisores. En particular, porque la distribución espacial de Ez en cada pilar de silicio oscila entre un modo monopolo y un modo dipolo a medida que pasa el tiempo, todos los emisores cuánticos dentro de los pilares experimentarán la misma fase espacial en el semiciclo monopolo. Esto alivia significativamente el desafío del posicionamiento preciso de emisores cuánticos en una cavidad fotónica, "Añadió Yueyang Liu.
