Realización experimental de localización de THz controlada topológicamente. ( a ) Ilustración de generación no lineal y confinamiento de ondas THz en una microestructura de tipo SSH. La estructura LN experimenta una transición de L-LD, a través de regiones equidistantes, a S-SD a lo largo del eje +z, ilustrado por colores sombreados de naranja a azul. La polarización del campo eléctrico THz y la del haz de la bomba óptica se encuentran a lo largo de la dirección del eje cristalino LN (eje z). ( b ) Imagen de microscopio de la estructura de matriz LN fabricada por escritura fs-laser. El grosor del chip LN es de 50 μm en la dirección y. La longitud total de la microestructura a lo largo de la dirección z es L=6 mm. d1 y d2 son los espacios entre franjas LN vecinas correspondientes a los coeficientes de acoplamiento c1 y c2, respectivamente. En la línea amarilla discontinua, z = L/2 y d1 = d2 = 55 μm, lo que conduce a una estructura equidistante. Crédito:Luz:ciencia y aplicaciones (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
Los dispositivos funcionales compactos de terahercios son muy útiles para la comunicación inalámbrica de alta velocidad, la detección bioquímica y la inspección no destructiva. Sin embargo, la generación controlada de terahercios, junto con el transporte y la detección, es un desafío para los dispositivos a escala de chip, debido a la baja eficiencia de acoplamiento y las pérdidas por absorción. En un nuevo informe publicado ahora en Nature:Light Science &Applications , Jiayi Wang, Shiai Xia y Ride Wang y un equipo de investigadores en física, biofísica y fotónica no lineal, en la Universidad de Nankai, China e INRS-ENT, Canadá, generaron un confinamiento no lineal y ajustado topológicamente de ondas de terahercios en un niobato de litio diseñado chip. El equipo midió experimentalmente las estructuras de bandas para proporcionar una visualización directa de la localización de terahercios en el espacio de momento. Los resultados brindan nuevas posibilidades para realizar circuitos integrados de terahercios para aplicaciones fotónicas avanzadas.
Sintonización de terahercios en un chip fotónico de niobato de litio
El desarrollo de tecnología confiable de terahercios está impulsado principalmente por una gran demanda de aplicaciones, incluidas las comunicaciones inalámbricas
procesamiento de señales y biodetección, así como evaluación no destructiva. Sin embargo, la falta de dispositivos funcionales integrados en el rango de terahercios ha limitado sus aplicaciones y es un desafío guiar las longitudes de onda de terahercios debido a las pérdidas que surgen de las características críticas del espectro. Los investigadores han llevado a cabo enormes esfuerzos para explorar diversos diseños y enfoques para fuentes de terahercios a través de una variedad de plataformas, incluidos metamateriales, metasuperficies no lineales, ondas plasmónicas y mezcla de ondas en cristales iónicos e integración en el dominio del tiempo de pulsos de terahercios.
En este trabajo, Wang et al propusieron y desarrollaron un esquema para la generación no lineal y el confinamiento ajustado topológicamente de ondas de terahercios para realizar completamente el fenómeno en un solo chip fotónico de niobato de litio. El proceso se basó en una microestructura fotónica que contenía rayas de guía de ondas de niobato de litio que podían sufrir transiciones topológicamente triviales y no triviales. El equipo utilizó tecnología de escritura con láser de femtosegundo para desarrollar la construcción con un defecto topológico en la interfaz central. Midieron el campo de terahercios a través de un experimento de bomba-sonda para mostrar el confinamiento sintonizable a lo largo del chip, en relación con la variación de la geometría de la estructura fotónica. Los resultados proporcionaron una indicación clara del confinamiento de ondas de terahercios como resultado de la protección topológica.
Valores propios y distribuciones de modo propio representativas en la estructura topológica LN tipo SSH. ( a ) Distribución de valores propios calculada de la microestructura a lo largo del eje z. La línea amarilla representa la estructura equidistante en z = L/2 (d1 = d2 = 55 μm), que marca el punto de transición de fase. El lado izquierdo de la línea amarilla (z < L/2) es la región L-LD, donde los modos de defectos topológicos se indican mediante puntos rojos. El lado derecho (z > L/2) indica la región S-SD, donde los modos de defectos topológicamente no triviales y triviales están marcados con puntos verdes y azules, respectivamente. Los puntos grises representan los modos masivos. b1 Modo defecto topológico alrededor de 0.3 THz en la estructura L-LD en z = 0 b2 Modo alrededor de 0.3 THz en la estructura equidistante en z = L/2. b3, b4 Modo trivial topológico alrededor de 0,42 THz (b3) y modo no trivial alrededor de 0,3 THz (b4) en la estructura S-SD en z = L. Crédito:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
En física, una técnica estándar para la generación de ondas de terahercios se basa en la rectificación óptica que se puede inducir mediante pulsos de láser de femtosegundos en cristales no lineales de segundo orden. En las últimas cuatro décadas, los científicos han desarrollado una variedad de métodos para mejorar la eficiencia de generación de terahercios, activar un ancho de banda estrecho de terahercios y disminuir la caída de frecuencia en los cristales de niobato de litio. Los investigadores también habían generado pulsos de terahercios sintonizables en cristales de niobato de litio no lineales a través de pulsos láser ultracortos. Las rápidas mejoras en el campo han llevado a nuevos métodos para la localización y confinamiento de ondas THZ. Wang et al emplearon una red fotónica tipo celosía de Su-Schrieffer-Heeger en un chip de niobato de litio para lograr una localización topológica sintonizable de ondas de terahercios. La red proporcionó un modelo topológico prototípico con demostraciones generalizadas en fotónica y plasmónica. Dichos modelos se aplicaban anteriormente para generar pares de fotones entrelazados robustos, para mejorar la generación de armónicos no lineales, realizar láser topológico y estados topológicos no hermitianos, además del régimen de longitud de onda de terahercios.
Para realizar la manipulación de campo de terahercios propuesta, Wang et al realizaron una serie de experimentos, con una configuración típica de bomba-sonda. Durante los experimentos, el equipo usó un haz de bomba de femtosegundos para generar ondas de terahercios que confinaron las ondas en evolución dentro del chip en lugar del espacio libre. El equipo amplió el esquema para incluir circuitos topológicos integrados en dispositivos compactos de terahercios. Detectaron las ondas mediante el uso de un método de imágenes de resolución temporal, basado en un método de imágenes de contraste de fase para controlar el cambio del índice de refracción inducido por las ondas de terahercios. Los resultados indicaron un defecto topológico, que concordaba bien con los cálculos. Los resultados mostraron claramente cómo las ondas de terahercios generadas pueden estar fuertemente confinadas cerca del defecto central de la construcción, lejos del punto de transición. Wang et al corroboraron los resultados con simulaciones numéricas, que estaban en buen acuerdo.
Demostraciones experimentales (dos filas superiores) y numéricas (dos filas inferiores) del confinamiento de THz controlado topológicamente en el chip LN desde L-LD, pasando por regiones equidistantes, hasta S-SD de la red fotónica SSH en forma de cuña. (a–e) corresponden a las ubicaciones (A–E) marcadas en la Fig. 1b. a1–e1 Espectros medidos en las posiciones correspondientes. a2–e2 Distribución de energía de los modos mostrando diferente confinamiento de las ondas THz generadas en el chip LN. a3–e3 Diagramas x−t simulados que muestran la evolución de las ondas THz en diferentes regiones, donde a4–e4 son los espectros correspondientes. Los sitios de la red se ilustran con marcas blancas en a3–e3, y a en (a1, a4) es la constante de red para la estructura L-LD correspondiente. Crédito:Luz:ciencia y aplicaciones (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.
© 2022 Red Ciencia X Researchers develop broadband spintronic-metasurface terahertz emitters with tunable chirality
