Realização experimental de localização THz topologicamente controlada. (a) Ilustração de geração não linear e confinamento de ondas THz em uma microestrutura do tipo SSH. A estrutura LN sofre uma transição de L-LD, através de regiões equidistantes, para S-SD ao longo do eixo +z, ilustrado por cores sombreadas de laranja para azul. A polarização do campo elétrico THz e do feixe da bomba óptica estão ao longo da direção do eixo cristalino LN (eixo z). (b) Imagem microscópica da estrutura do arranjo LN fabricada por escrita a laser fs. A espessura do chip LN é de 50 μm na direção y. O comprimento total da microestrutura ao longo da direção z é L=6mm. d1 e d2 são os espaçamentos entre faixas LN vizinhas correspondentes aos coeficientes de acoplamento c1 e c2, respectivamente. Na linha amarela tracejada, z = L/2 e d1 = d2 = 55 μm, o que leva a uma estrutura equidistante. Crédito:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
Dispositivos funcionais compactos de terahertz são altamente úteis para comunicação sem fio de alta velocidade, detecção bioquímica e inspeção não destrutiva. No entanto, a geração controlada de terahertz, juntamente com o transporte e a detecção, é um desafio para dispositivos em escala de chip, devido à baixa eficiência de acoplamento e perdas de absorção. Em um novo relatório agora publicado em
Nature:Light Science &Applications , Jiayi Wang, Shiai Xia e Ride Wang e uma equipe de pesquisadores em física, biofísica e fotônica não linear, na Universidade Nankai, China e INRS-ENT, Canadá, geraram confinamento não linear e topologicamente ajustado de ondas terahertz em um niobato de lítio projetado lasca. A equipe mediu experimentalmente as estruturas da banda para fornecer visualização direta da localização terahertz no espaço de momento. Os resultados fornecem novas possibilidades para realizar circuitos integrados terahertz para aplicações fotônicas avançadas.
Ajustando terahertz em um chip fotônico de niobato de lítio O desenvolvimento da tecnologia confiável de terahertz é impulsionado principalmente por uma alta demanda por aplicações, incluindo comunicações sem fio
processamento de sinais e biossensing, bem como avaliação não destrutiva. A falta de dispositivos funcionais integrados na faixa de terahertz, no entanto, limitou suas aplicações, e é um desafio guiar comprimentos de onda de terahertz devido a perdas decorrentes de características críticas do espectro. Os pesquisadores conduziram enormes esforços para explorar diversos projetos e abordagens para fontes de terahertz por meio de uma variedade de plataformas, incluindo metamateriais, metasuperfícies não lineares, ondas plasmônicas e mistura de ondas em cristais iônicos e integração no domínio do tempo de pulsos de terahertz.
Neste trabalho, Wang et al propuseram e desenvolveram um esquema para geração não linear e confinamento topologicamente ajustado de ondas terahertz para realizar plenamente o fenômeno em um único chip fotônico de niobato de lítio. O processo contou com uma microestrutura fotônica contendo faixas de guia de onda de niobato de lítio que poderiam sofrer transições topologicamente triviais e não triviais. A equipe usou a tecnologia de escrita a laser de femtosegundo para desenvolver a construção com um defeito topológico na interface central. Eles mediram o campo terahertz por meio de um experimento com sonda de bomba para mostrar o confinamento ajustável ao longo do chip, em relação à variação da geometria da estrutura fotônica. Os resultados forneceram uma indicação clara do confinamento de ondas terahertz como resultado da proteção topológica.
Autovalores e distribuições de automodo representativas na estrutura topológica LN do tipo SSH. (a) Distribuição de autovalores calculada da microestrutura ao longo do eixo z. A linha amarela representa a estrutura equidistante em z = L/2 (d1 = d2 = 55 μm), que marca o ponto de transição de fase. O lado esquerdo da linha amarela (z < L/2) é a região L-LD, onde os modos de defeitos topológicos são indicados por pontos vermelhos. O lado direito (z > L/2) indica a região S-SD, onde os modos de defeito topologicamente não triviais e triviais são marcados por pontos verdes e azuis, respectivamente. Os pontos cinza representam os modos em massa. b1 Modo de defeito topológico em torno de 0,3 THz na estrutura L-LD em z = 0. b2 O modo em torno de 0,3 THz na estrutura equidistante em z = L/2. b3, b4 Modo topológico trivial em torno de 0,42 THz (b3) e modo não trivial em torno de 0,3 THz (b4) na estrutura S-SD em z = L. Crédito:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
Geração Terahertz em um chip Na física, uma técnica padrão para geração de ondas terahertz é baseada na retificação óptica que pode ser induzida por meio de pulsos de laser de femtossegundos em cristais não lineares de segunda ordem. Nas últimas quatro décadas, os cientistas desenvolveram uma série de métodos para melhorar a eficiência da geração de terahertz, ativar uma largura de banda estreita de terahertz e diminuir o decaimento de frequência em cristais de niobato de lítio. Os pesquisadores também geraram pulsos de terahertz ajustáveis em cristais não lineares de niobato de lítio por meio de pulsos de laser ultracurtos. Aprimoramentos rápidos no campo levaram a novos métodos para localização e confinamentos de ondas THZ. Wang et al empregaram uma rede fotônica do tipo treliça Su-Schrieffer-Heeger em um chip de niobato de lítio para obter a localização topológica da onda terahertz ajustável. A rede forneceu um modelo topológico prototípico com amplas demonstrações em fotônica e plasmônica. Tais modelos eram anteriormente aplicáveis para gerar pares de fótons robustos e emaranhados, para melhorar a geração harmônica não linear, realizar laser topológico e estados topológicos não Hermitianos, além do regime de comprimento de onda terahertz.
Para realizar a manipulação de campo de terahertz proposta, Wang et al realizaram uma série de experimentos, com uma configuração típica de bomba-sonda. Durante os experimentos, a equipe usou um feixe de bomba de femtossegundos para gerar ondas terahertz confinadas às ondas em evolução dentro do chip, em vez de espaço livre. A equipe estendeu o esquema para incluir circuitos topológicos integrados em dispositivos compactos de terahertz. Eles detectaram as ondas usando um método de imagem resolvido no tempo, baseado em um método de imagem de contraste de fase para monitorar a mudança no índice de refração induzida por ondas terahertz. Os resultados indicaram um defeito topológico, que estava de acordo com os cálculos. Os resultados mostraram claramente como as ondas terahertz geradas podem ser fortemente confinadas perto do defeito central do construto, longe do ponto de transição. Wang et al corroboraram os resultados com simulações numéricas, que estavam em boa concordância.
Demonstrações experimentais (duas linhas superiores) e numéricas (duas linhas inferiores) do confinamento THz topologicamente controlado no chip LN de L-LD, através de regiões equidistantes, para S-SD da rede fotônica SSH em forma de cunha. (a–e) correspondem às localizações (A–E) marcadas na Fig. 1b. a1–e1 Espectros medidos nas posições correspondentes. a2–e2 Distribuição de energia dos modos mostrando diferentes confinamentos das ondas THz geradas no chip LN. a3–e3 Diagramas x−t simulados mostrando a evolução das ondas THz em diferentes regiões, onde a4–e4 são os espectros correspondentes. Os sítios de rede são ilustrados por marcas brancas em a3-e3, e a in (a1, a4) é a constante de rede para a estrutura L-LD correspondente. Crédito:Light:Science &Applications (2022). DOI:10.1038/s41377-022-00823-7
Distinção entre modos de defeito topologicamente não triviais e triviais sob perturbações quirais. (a1) Cálculo da distribuição de autovalor ε sob 500 conjuntos de perturbações fora da diagonal na estrutura L-LD. 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.
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