Térahertz réglé topologiquement sur une puce photonique non linéaire

Réalisation expérimentale de la localisation THz topologiquement contrôlée. (a) Illustration de la génération non linéaire et du confinement des ondes THz dans une microstructure de type SSH. La structure LN subit une transition de L-LD, à équidistance, aux régions S-SD le long de l'axe + z, illustrée par des couleurs ombrées de l'orange au bleu. La polarisation du champ électrique THz et celle du faisceau de pompe optique sont toutes le long de la direction de l'axe cristallin LN (axe z). (b) Image au microscope de la structure de la matrice LN fabriquée par écriture laser fs. L'épaisseur de la puce LN est de 50 μm dans la direction y. La longueur totale de la microstructure le long de la direction z est L =6 mm. d1 et d2 sont les espacements entre bandes LN voisines correspondant respectivement aux coefficients de couplage c1 et c2. Au niveau de la ligne jaune pointillée, z = L/2 et d1 = d2 = 55 μm, ce qui conduit à une structure équidistante. Crédit :Lumière :science et applications (2022). DOI :10.1038/s41377-022-00823-7

Les dispositifs fonctionnels térahertz compacts sont très utiles pour la communication sans fil à haut débit, la détection biochimique et l'inspection non destructive. Cependant, la génération contrôlée de térahertz, parallèlement au transport et à la détection, est un défi pour les dispositifs à l'échelle de la puce, en raison de la faible efficacité de couplage et des pertes d'absorption. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Nature :Light Science &Applications , Jiayi Wang, Shiai Xia et Ride Wang et une équipe de chercheurs en physique, biophysique et photonique non linéaire, à l'Université de Nankai, en Chine, et à l'INRS-ENT, au Canada, ont généré un confinement non linéaire et topologiquement accordé d'ondes térahertz dans un niobate de lithium modifié ébrécher. L'équipe a mesuré expérimentalement les structures de bande pour fournir une visualisation directe de la localisation térahertz dans l'espace d'impulsion. Les résultats offrent de nouvelles possibilités pour réaliser des circuits intégrés térahertz pour des applications photoniques avancées.

Réglage du térahertz sur une puce photonique au niobate de lithium

Le développement d'une technologie térahertz fiable est principalement motivé par une forte demande d'applications, y compris les communications sans fil

le traitement du signal et la biodétection, ainsi que l'évaluation non destructive. Le manque de dispositifs fonctionnels intégrés dans la gamme térahertz a cependant limité leurs applications, et il est difficile de guider les longueurs d'onde térahertz en raison des pertes résultant des caractéristiques critiques du spectre. Les chercheurs ont mené d'énormes efforts pour explorer diverses conceptions et approches pour les sources térahertz via une variété de plates-formes, y compris les métamatériaux, les métasurfaces non linéaires, les ondes plasmoniques et le mélange d'ondes dans les cristaux ioniques et l'intégration dans le domaine temporel des impulsions térahertz.

Dans ce travail, Wang et al ont proposé et développé un schéma de génération non linéaire et de confinement topologiquement accordé des ondes térahertz pour réaliser pleinement le phénomène sur une seule puce photonique au niobate de lithium. Le processus reposait sur une microstructure photonique contenant des bandes de guides d'ondes en niobate de lithium qui pouvaient subir des transitions topologiquement triviales et non triviales. L'équipe a utilisé la technologie d'écriture laser femtoseconde pour développer la construction avec un défaut topologique à l'interface centrale. Ils ont mesuré le champ térahertz via une expérience pompe-sonde pour montrer un confinement accordable le long de la puce, par rapport à la variation de la géométrie de la structure photonique. Les résultats ont fourni une indication claire du confinement des ondes térahertz en raison de la protection topologique.

Valeurs propres et distributions représentatives des modes propres dans la structure topologique LN de type SSH. (a) Distribution des valeurs propres calculées de la microstructure le long de l'axe z. La ligne jaune représente la structure équidistante à z = L/2 (d1 = d2 = 55 μm), qui marque le point de transition de phase. Le côté gauche de la ligne jaune (z < L/2) est la région L-LD, où les modes de défaut topologiques sont indiqués par des points rouges. Le côté droit (z > L/2) indique la région S-SD, où les modes de défaut topologiquement non triviaux et triviaux sont marqués respectivement par des points verts et bleus. Les points gris représentent les modes de masse. b1 Mode de défaut topologique autour de 0,3 THz dans la structure L-LD à z = 0 b2 Le mode autour de 0,3 THz dans la structure équidistante à z = L/2. b3, b4 Mode trivial topologique autour de 0,42 THz (b3) et mode non trivial autour de 0,3 THz (b4) dans la structure S-SD à z = L. Crédit :Light :Science &Applications (2022). DOI :10.1038/s41377-022-00823-7

Génération de térahertz sur une puce

En physique, une technique standard de génération d'ondes térahertz est basée sur le redressement optique qui peut être induit via des impulsions laser femtosecondes dans des cristaux non linéaires du second ordre. Au cours des quatre dernières décennies, les scientifiques ont développé une gamme de méthodes pour améliorer l'efficacité de la génération de térahertz, activer une bande passante térahertz étroite et diminuer la décroissance de fréquence dans les cristaux de niobate de lithium. Les chercheurs avaient également généré des impulsions térahertz accordables dans des cristaux de niobate de lithium non linéaires via des impulsions laser ultracourtes. Les améliorations rapides dans le domaine ont conduit à de nouvelles méthodes de localisation et de confinement des ondes THZ. Wang et al ont utilisé un réseau photonique de type réseau Su – Schrieffer – Heeger sur une puce de niobate de lithium pour obtenir une localisation topologique des ondes térahertz réglable. Le réseau a fourni un modèle topologique prototypique avec des démonstrations généralisées en photonique et en plasmonique. De tels modèles étaient auparavant applicables pour générer des paires de photons robustes et intriquées, pour améliorer la génération d'harmoniques non linéaires, réaliser un laser topologique et des états topologiques non hermitiens, en dehors du régime de longueur d'onde térahertz.

Pour réaliser la manipulation de champ térahertz proposée, Wang et al ont réalisé une série d'expériences, avec une configuration pompe-sonde typique. Au cours des expériences, l'équipe a utilisé un faisceau de pompe femtoseconde pour générer des ondes térahertz confinées les ondes évolutives dans la puce au lieu de l'espace libre. L'équipe a étendu le schéma pour inclure des circuits topologiques intégrés dans des dispositifs térahertz compacts. Ils ont détecté les ondes en utilisant une méthode d'imagerie à résolution temporelle, basée sur une méthode d'imagerie à contraste de phase pour surveiller le changement d'indice de réfraction induit par les ondes térahertz. Les résultats ont indiqué un défaut topologique, ce qui était en bon accord avec les calculs. Les résultats ont clairement montré comment les ondes térahertz générées peuvent être fortement confinées près du défaut central de la construction, loin du point de transition. Wang et al ont corroboré les résultats avec des simulations numériques, qui étaient en bon accord.

Démonstrations expérimentales (deux rangées supérieures) et numériques (deux rangées inférieures) du confinement THz contrôlé topologiquement dans la puce LN de L-LD, à équidistance, aux régions S-SD du réseau photonique SSH en forme de coin. (a–e) correspondent aux emplacements (A–E) marqués sur la Fig. 1b. a1–e1 Spectres mesurés aux positions correspondantes. a2–e2 Distribution d'énergie des modes montrant différents confinements des ondes THz générées dans la puce LN. a3–e3 Diagrammes x−t simulés montrant l'évolution des ondes THz dans différentes régions, où a4–e4 sont les spectres correspondants. Les sites de réseau sont illustrés par des graduations blanches dans a3–e3, et a dans (a1, a4) est la constante de réseau pour la structure L-LD correspondante. Crédit :Lumière :science et applications (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

Outlook

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. + Explorer plus loin