une, Dalle PhC à indice zéro sans BIC. Un mode dipolaire photonique formant l'indice zéro entraîne un rayonnement hors plan, augmentant considérablement la perte de propagation du matériau. b, Dalle PhC à indice zéro avec un BIC. A une certaine hauteur, tout le rayonnement hors plan ascendant/descendant interfère de manière destructive. Crédit :Tian Dong, Jiujiu Liang, Philippe Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, et Yang Li
Un indice de réfraction nul induit un vecteur d'onde d'amplitude nulle et de direction indéfinie. Par conséquent, la lumière se propageant à l'intérieur d'un milieu d'indice zéro n'accumule aucune avance de phase spatiale, résultant en une parfaite cohérence spatiale. Une telle cohérence apporte plusieurs applications potentielles, y compris les guides d'ondes de forme arbitraire, propagation non linéaire sans discordance de phase, lasers monomodes de grande surface, et un super éclat prolongé. Une plate-forme prometteuse pour réaliser ces applications est un matériau à cône de Dirac intégré doté d'un indice zéro adapté à l'impédance. Cependant, bien que cette plate-forme élimine les pertes ohmiques via sa structure purement diélectrique, il entraîne toujours une perte de rayonnement hors plan (environ 1 dB/μm), restreindre les applications à une petite échelle.
En 2018, Le groupe de recherche du professeur Shanhui Fan à l'Université de Stanford a conçu un matériau à indice zéro à cône de Dirac à faible perte basé sur des états liés protégés par la symétrie dans le continuum (BIC). Cependant, ce cône de Dirac est constitué de modes d'ordre élevé, il est donc difficile d'homogénéiser la plaque de cristal photonique en tant que milieu en vrac à indice zéro.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Yang Li du Département des instruments de précision de l'Université Tsinghua, Chine, Le professeur Eric Mazur de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l'Université de Harvard, les Etats Unis, Professeur Weiguo Chu du Laboratoire de nanofabrication du Centre national des nanosciences et de la technologie, Chine, et ses collègues ont réalisé une conception à indice zéro basée sur une dalle de cristal photonique purement diélectrique (dalle PhC). Cette conception supporte une dégénérescence accidentelle de Dirac-cône d'un mode monopôle électrique et d'un mode dipôle magnétique au centre de la zone de Brillouin. Une telle conception basée sur les modes d'ordre inférieur peut être mieux traitée comme un milieu homogène à indice zéro.
une, Schéma tridimensionnel d'une dalle PhC à indice zéro et de sa maille élémentaire, constitué de piliers de silicium noyés dans du dioxyde de silicium. b, Balayage des paramètres pour la conception d'une dalle PhC à indice zéro BIC. Facteur de qualité du mode dipôle (carte couleur) et dégénérescence des modes monopolaire et dipôle au centre de la zone Brillouin (ligne blanche) en fonction du rayon et de la hauteur du pilier. Le point rouge indique la dégénérescence d'un mode monopole et d'un mode dipôle à Q élevé. c, Surfaces de dispersion tridimensionnelles montrant la dispersion Dirac-cône correspondant aux paramètres optimisés au point rouge en (b). ré, Indice effectif et perte de propagation de la dalle PhC. Lorsque la partie réelle de l'indice effectif passe à zéro, la courbe de perte atteint sa vallée (~0,15 dB/mm), indiquant un indice zéro ultra-faible perte. Crédit :Tian Dong, Jiujiu Liang, Philippe Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, et Yang Li
Leur conception consiste en un réseau carré de piliers en silicium noyés dans une matrice de fond en dioxyde de silicium, comportant une fabrication facile utilisant des processus planaires standard. Pour réduire la perte de rayonnement, ils modélisent les interfaces supérieure et inférieure d'une dalle PhC à indice zéro comme deux miroirs partiellement réfléchissants pour former une cavité Fabry-Pérot (FP). Puis, ils ajustent l'épaisseur de cette cavité FP pour induire une interférence destructive des rayonnements ascendants (vers le bas) dans le champ lointain. A l'intérieur de chaque pilier, il existe un ou des mode(s) à propagation axiale à symétrie dipolaire montrant une phase aller-retour d'un multiple entier de 2π, devenant ainsi des modes piégés par résonance. Le mode monopôle ne rayonne pas dans la direction hors du plan en raison de sa symétrie de mode intrinsèque.
"Notre conception présente une perte de propagation dans le plan aussi faible que 0,15 dB/mm à la longueur d'onde d'indice zéro. De plus, l'indice de réfraction est proche de zéro (|neff| <0,1) sur une bande passante de 4,9%, " a déclaré Tian Dong.
un B, La dalle PhC est excitée par une onde plane incidente depuis la gauche. Dans les conditions des BIC, la lumière incidente peut se propager sur une longue distance avec peu de pertes. Cependant, sans BIC, le champ électrique décroît fortement à l'extrémité d'entrée de la dalle PhC. CD, Un dipôle électrique au centre de la dalle PhC à indice zéro BIC rayonne de manière omnidirectionnelle sur une grande surface. Cependant, un dipôle électrique au centre de la dalle PhC à indice zéro sans BIC ne peut rayonner que sur une petite zone. Crédit :Tian Dong, Jiujiu Liang, Philippe Camayd-Muñoz, Yueyang Liu, Haoning Tang, Shota Kita, Peipei Chen, Xiaojun Wu, Weiguo Chu, Eric Mazur, et Yang Li
Pour les candidatures, Yueyang Liu a prédit :« nos dalles PhC à indice zéro à cône BIC Dirac sur puce offrent une longueur de cohérence infinie avec une faible perte de propagation. Cela ouvre la porte à des applications de matériaux à indice zéro à grande surface dans l'optique linéaire et non linéaire ainsi que lasers. Par exemple, effet tunnel d'énergie électromagnétique à travers un guide d'ondes à indice zéro de forme arbitraire, génération de lumière non linéaire sans décalage de phase sur une longue durée d'interaction, et laser sur une grande surface en un seul mode."
"Ce travail peut également servir de laboratoire sur puce pour explorer l'optique quantique fondamentale telle que la génération efficace de paires de photons intriqués et l'émission collective de nombreux émetteurs. En particulier, parce que la distribution spatiale de Ez dans chaque pilier de silicium oscille entre un mode monopôle et un mode dipôle au fur et à mesure que le temps s'écoule, tous les émetteurs quantiques à l'intérieur des piliers connaîtront la même phase spatiale dans le demi-cycle du monopole. Cela atténue considérablement le défi du positionnement précis des émetteurs quantiques dans une cavité photonique, ", a ajouté Yueyang Liu.
