Le moulage de l'écoulement de la lumière – qu'il soit confiné aux régions localisés ou se propageant dans l'espace libre – se réduit crucial pour la photonique intégrée moderne. L'avancement du gardien d'onde optique multi-canal et programmable et des réseaux de coupleur nous a permis de développer des circuits intégrés photoniques (PIC) comme une alternative viable à celle électronique, surmontant les limitations de la vitesse de traitement, de la bande passante et de l'efficacité à travers le spectre optique à micro-microwave.
Cependant, à mesure que la complexité sur la puce augmente, nous sommes confrontés à des défis importants concernant la stabilité à long terme et les défauts induits par la fabrication, ce qui rend la fiabilité opérationnelle critique pour les applications pratiques.
La demande croissante de traitement de l'information à haute capacité entraîne notre besoin de photos plus complexes avec des canaux supplémentaires. Dans ce contexte, la photonique topologique offre des solutions prometteuses en raison de sa robustesse inhérente aux défauts.
Les photos actuelles utilisant des modes de paroi de domaine protégés topologiquement reposent principalement sur des microstructures bidimensionnelles suivant la règle de correspondance de bord en vrac, qui ne prend généralement en charge que les états de bord limités et limite la capacité du canal. Pour surmonter cela, nous nous sommes concentrés sur les effets topologiques hybrides qui combinent plusieurs phénomènes topologiques dans un seul système.
Récemment, notre équipe de recherche a étudié les systèmes microstructurés artificiels hybrides et leurs applications topologiques. En construisant une dimension synthétique combinant l'espace de quantité de mouvement et l'espace d'orientation des cellules unitaires, nous avons développé un polycristal photonique topologique configurable. Cette métasurface topologique diélectrique, composée d'éléments elliptiques accordables, utilise un nouveau mécanisme de couplage entre pseudo-spin et l'effet Valley Hall, offrant une plate-forme polyvalente pour le contrôle photonique multidimensionnel.
Notre travail, publié dans Revue nationale des sciences Sous le titre « Polyccristal photonique topologique configurable basé sur la dimension hybride synthétique », représente une progression significative sur le terrain.
Nous avons développé une théorie de la perturbation basée sur des angles d'orientation structurelle pour permettre un calcul rapide et un ajustement des lacunes de la bande photonique. Étant donné que les réseaux pseudo-spin et valley sont fondamentalement liés aux angles d'orientation, nous avons observé que la variation de ces angles a induit de délicates les décalages de bande d'énergie, modulant efficacement le « terme de masse » du système.
Pour caractériser pleinement ce phénomène, nous avons intégré notre théorie de la perturbation scalaire proposée tout en traitant les angles d'orientation comme des paramètres de dimension synthétiques. Pour tout réseau photonique donné, nous avons réussi à construire un espace synthétique tridimensionnel en combinant l'espace de moment Bloch bidimensionnel et la dimension d'angle d'orientation unidimensionnelle.
Cette approche innovante nous a permis de calculer les invariants topologiques en tant que fonctions continues des angles d'orientation, donnant un puissant cadre théorique pour analyser les propriétés topologiques du système. Lors du couplage à la fois des effets topologiques, nous avons constaté que cet espace hybride-dimensionnel dépend de deux angles d'orientation indépendants et de l'espace de mouvement unidimensionnel le long des parois du domaine.
Grâce à une analyse détaillée de dimension hybride, nous avons systématiquement suivi comment les états en vrac, les états de bord et les états d'angle évoluent avec les variations d'angle d'orientation. Ces idées clarifient fondamentalement comment notre architecture polycristal topologique hybride atteint des fonctionnalités photoniques robustes et dynamiquement reconfigurables.
De plus, nous avons introduit un nouveau facteur de qualité local (qL) spécialement conçu pour caractériser les modes propres hybrides dans les lacunes de la bande. En intégrant la densité locale des états aux fréquences cibles, cette métrique quantitative fournit une méthode d'évaluation des performances efficace pour les dispositifs photoniques topologiques hybrides.
En tant que validation, notre équipe a expérimentalement validé cette approche en mettant en œuvre un circuit hybride intégré photonique topologique qui a démontré avec succès des états de bord multiples à contraste élevé et des états d'angle d'ordre supérieur le long de l'interface. Cette méthode permet des portes logiques sur puce, des coupleurs et une communication optique à haute densité via des canaux de bord chiral multi-bandes, tout en soutenant simultanément le développement de lasers multi-bandes avec des volumes de mode ultra-petit et des états d'angle divers.
De plus, notre concept de réseau photonique dépendante de l'orientation ouvre de nouvelles possibilités pour les dispositifs topologiques actifs reconfigurables et programmables. Pour l'avenir, nous visons à explorer les effets non linéaires dans les polycristaux topologiques hybrides pour améliorer leurs capacités multimodales et multi-bandes, ouvrant la voie aux applications photoniques classiques et quantiques.
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