Revolucionando el control óptico con estados de borde topológicos

Sep 12, 2023

La nanofotónica y la topología han ganado un gran interés debido a las propiedades únicas que ofrecen. Un área de enfoque es la investigación de los estados de borde topológicos (TES). Estos estados han captado una amplia atención porque son muy resistentes a errores e imperfecciones. Surgidos de fases topológicamente no triviales, los TES proporcionan un poderoso conjunto de herramientas para el diseño arquitectónico de circuitos integrados fotónicos. El transporte TES ha llevado al descubrimiento de varios efectos y aplicaciones ópticos intrigantes, incluidos los acopladores direccionales, las guías de ondas unidireccionales, las guías de ondas de modo bloqueado y la propagación de pseudoespín en conjuntos de resonadores en anillo.

Recientemente, los científicos han ampliado sus esfuerzos para manipular los TES mediante la exploración de técnicas como la modulación adiabática, los efectos no lineales y el trenzado complejo. Los sistemas ópticos han demostrado una variedad de fenómenos intrigantes, como el transporte topológico de borde a borde y la localización sintonizable de estados topológicos. Estos fenómenos tienen un inmenso potencial para el desarrollo de tecnologías y aplicaciones de vanguardia, incluido el enrutamiento de energía e información, la fotónica no lineal y la computación cuántica.

Si bien los métodos actuales se enfocan en manipular los TES, aún no han prestado mucha atención a mejorar la interacción entre los TES. Al mejorar el acoplamiento entre TES, los investigadores pueden permitir el intercambio de energía luminosa entre diferentes partes de una red topológica, lo que puede ayudar a controlar el transporte de TES de una manera más flexible.

Un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan (WNLO) y la Escuela de Información Óptica y Electrónica (OEI) de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (HUST) en China logró recientemente un avance significativo. Como se informó en Advanced Photonics, desarrollaron un enfoque innovador para manipular de manera eficiente el transporte TES para un conmutador de canales ópticos en un chip de silicio sobre aislante (SOI). Su estudio se centró en la conversión de canal de borde a borde en una red de guía de ondas de cuatro niveles utilizando el modelo Landau-Zener (LZ). Al explotar el efecto de tamaño finito en una red óptica de dos celdas unitarias, establecieron un método alternativo, efectivo y dinámico para modular y controlar el transporte de modos topológicos.

La red de guía de ondas que usaron es similar a un material 2D llamado aislante Chern, que se sabe que tiene TES. A medida que disminuye el número de celdas unitarias, los TES evolucionan de acuerdo con el modelo LZ. Al aplicar el principio de evolución de banda única LZ, los investigadores pudieron controlar dinámicamente los TES y lograr una conversión de canal casi perfecta.

Los dispositivos nanofotónicos LZ topológicos tienen el potencial de usarse en otras aplicaciones. Se pueden usar como interruptores que funcionan en longitudes de onda de luz específicas. Al incorporar la dinámica LZ en diferentes sistemas, puede ser posible crear conversiones de canales quirales. Este concepto también se puede expandir a redes de guía de ondas más complejas, lo que permite dispositivos aún más avanzados.

Los investigadores encontraron que estos dispositivos ópticos LZ topológicos son bastante robustos, lo que significa que pueden funcionar bien incluso cuando se cambian ciertos parámetros. Esto abre oportunidades para desarrollar dispositivos prácticos como interruptores ópticos para enrutar redes en chips de computadora o dispositivos que pueden combinar o separar múltiples señales en una guía de ondas.

Lea el artículo Gold Open Access de B.-C. Xu, B.-Y Xie, L.-H. Xu, et al., "Circuitos topológicos nanofotónicos de Landau-Zener", Adv. Fotón. 5(3), 036005 (2023), doi 10.1117/1.AP.5.3.036005.