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May 06, 2023

Revolucionando o controle óptico com topologia

Pesquisadores aproveitam a robustez da borda topológica

Os pesquisadores aproveitam a robustez dos estados de borda topológicos para manipular o transporte de luz e revolucionar o controle óptico em nanofotônica

SPIE - Sociedade Internacional de Óptica e Fotônica

imagem: Manipulando estados de borda topológicos para switcher de canal óptico.Veja mais

Crédito: Bing-Cong Xu.

A nanofotônica e a topologia ganharam interesse significativo devido às propriedades únicas que oferecem. Uma área de foco é a investigação de estados de borda topológicos (TESs). Esses estados têm atraído atenção generalizada porque são muito resistentes a erros e imperfeições. Surgindo de fases topologicamente não triviais, os TESs fornecem um poderoso kit de ferramentas para o projeto arquitetônico de circuitos integrados fotônicos. O transporte TES levou à descoberta de vários efeitos e aplicações ópticas intrigantes, incluindo acopladores direcionais, guias de onda unidirecionais, guias de onda de modo bloqueado e propagação de pseudospin em matrizes de ressonadores de anel.

Os cientistas recentemente expandiram seus esforços para manipular TESs explorando técnicas como modulação adiabática, efeitos não lineares e tranças complexas. Os sistemas ópticos demonstraram uma variedade de fenômenos intrigantes, como transporte topológico de ponta a ponta e localização ajustável de estados topológicos. Esses fenômenos têm um imenso potencial para o desenvolvimento de tecnologias e aplicações de ponta, incluindo roteamento de energia e informações, fotônica não linear e computação quântica.

Embora os métodos atuais se concentrem na manipulação de TESs, eles ainda não prestaram muita atenção ao aprimoramento da interação entre os TESs. Ao melhorar o acoplamento entre TESs, os pesquisadores podem permitir a troca de energia luminosa entre diferentes partes de uma rede topológica, o que pode ajudar a controlar o transporte de TESs de maneira mais flexível.

Um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional de Wuhan para Optoeletrônica (WNLO) e da Escola de Informação Óptica e Eletrônica (OEI) da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong (HUST) na China fez recentemente um avanço significativo. Conforme relatado na Advanced Photonics, eles desenvolveram uma abordagem inovadora para manipular com eficiência o transporte TES para um comutador de canal óptico em um chip de silício sobre isolador (SOI). Seu estudo se concentrou na conversão de canal de ponta a ponta em uma rede de guia de onda de quatro níveis usando o modelo Landau-Zener (LZ). Ao explorar o efeito de tamanho finito em uma rede óptica de duas células unitárias, eles estabeleceram um método alternativo, eficaz e dinâmico para modular e controlar o transporte de modos topológicos.

A rede de guia de onda que eles usaram é semelhante a um material 2D chamado isolante de Chern, que é conhecido por ter TESs. À medida que o número de células unitárias diminui, os TESs evoluem de acordo com o modelo LZ. Aplicando o princípio de evolução de banda única LZ, os pesquisadores conseguiram controlar dinamicamente os TESs e alcançar uma conversão de canal quase perfeita.

Os dispositivos nanofotônicos LZ topológicos têm potencial para serem usados ​​em várias outras aplicações. Eles podem ser usados ​​como interruptores que funcionam em comprimentos de onda específicos de luz. Ao incorporar a dinâmica LZ em diferentes sistemas, pode ser possível criar conversões de canais quirais. Este conceito também pode ser expandido para redes de guias de onda mais complexas, permitindo dispositivos ainda mais avançados.

Os pesquisadores descobriram que esses dispositivos ópticos LZ topológicos são bastante robustos, o que significa que podem funcionar bem mesmo quando certos parâmetros são alterados. Isso abre oportunidades para desenvolver dispositivos práticos, como switches ópticos para redes de roteamento em chips de computador ou dispositivos que podem combinar ou separar vários sinais em um guia de onda.

Leia o artigo Gold Open Access de B.-C. Xu, B.-Y Xie, L.-H. Xu, et al., "Circuitos nanofotônicos Landau–Zener topológicos," Adv. Fóton.5(3), 036005 (2023), dois 10.1117/1.AP.5.3.036005.

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