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南京大學(xué)科研團(tuán)隊在光子集成方面取得重要進(jìn)展 在光子芯片上實現(xiàn)對光的靈活操控是現(xiàn)代光學(xué)信息處理和光電子集成的基礎(chǔ)，其中波導(dǎo)耦合是構(gòu)建多種光子集成功能的基礎(chǔ)模塊。然而，基于倏逝波耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高密度集成中對工作波長和結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性要求極高，因此工作帶寬非常受限，同時在大規(guī)模集成時需要相位補(bǔ)償調(diào)節(jié)。盡管研究人員已經(jīng)提出多種方案，但器件的綜合性能（如集成度、工作帶寬、結(jié)構(gòu)魯棒性、器件功耗等）依舊難以滿足大規(guī)模光子集成的需求。 規(guī)范場（Gauge field）是物理學(xué)中闡述物理定律定域規(guī)范不變性的物質(zhì)場，可以描述帶電粒子之間的相互作用。后來人們發(fā)展出受結(jié)構(gòu)調(diào)控的等效人工規(guī)范場（Artificial Gauge Field），也可以操控中性粒子（如光子）的動力學(xué)演化，因此在光場調(diào)控領(lǐng)域展示了強(qiáng)大的調(diào)控能力，例如光子AB效應(yīng)、等效磁場等。在波導(dǎo)體系中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過彎曲波導(dǎo)來產(chǎn)生規(guī)范場，從而實現(xiàn)光場的靈活操控，如負(fù)折射、Floquet拓?fù)浣^緣體等。在前期的工作中，該研究團(tuán)隊已經(jīng)在高密度集成的彎曲硅波導(dǎo)中實現(xiàn)了亞波長自成像功能（Adv Photon 2, 036001），人工規(guī)范場誘導(dǎo)的拓?fù)浣缑鎽B(tài)（Laser Photon. Rev. 15, 2000584 (2021)），演示了人工規(guī)范場在亞波長尺度上控制光的可能性，以及在集成光子學(xué)的應(yīng)用前景。 在這項工作中，研究人員精心研究了耦合波導(dǎo)之間色散的來源，提出了通過調(diào)控波導(dǎo)彎曲可以引入一個新的人工規(guī)范場（AFG）色散項。在選擇合適的參數(shù)下，AFG色散項可以與傳統(tǒng)直波導(dǎo)的色散相反，并在一定波長范圍內(nèi)實現(xiàn)完全補(bǔ)償，達(dá)到零色散特性。同時，可以保持耦合波導(dǎo)的間距和耦合距離沒有明顯變化，這就賦予了高密度集成波導(dǎo)的寬帶耦合功能，即不同頻率的光都可以耦合到相鄰波導(dǎo)中（見示意圖1）。得益于這個寬帶特性，其耦合效應(yīng)對波導(dǎo)間距敏感度也顯著降低，具有結(jié)構(gòu)魯棒性，大大有利于大規(guī)模光子集成。  圖1. 波導(dǎo)間的無色散耦合示意圖 研究人員以常見的正弦彎曲的波導(dǎo)為例演示了這種無色散耦合現(xiàn)象，如圖2所示。正弦彎曲的波導(dǎo)的等效耦合系數(shù)（ceff）可以用貝塞爾函數(shù)（J0），可以有正、負(fù)及零耦合的調(diào)制。而考察耦合系數(shù)隨著波長變化時，研究發(fā)現(xiàn)除了傳統(tǒng)直波導(dǎo)色散項（圖2公式右面0項）外，多了一項人工規(guī)范場AGF項（紅線標(biāo)注項），經(jīng)過推導(dǎo)該項與貝塞爾函數(shù)的系數(shù)比值有關(guān)（J1/J0）,當(dāng)二者反號時（圖二（b）紅色區(qū)域）有望與第一項抵消，從而獲得無色散耦合。圖2（c）展示了通過參數(shù)調(diào)節(jié)構(gòu)建的零色散效果（A=0.9）。圖2（d）則對比了不同波長下彎曲波導(dǎo)無色散的耦合與直波導(dǎo)耦合色散效應(yīng)的理論計算結(jié)果，人工規(guī)范場設(shè)計的彎曲波導(dǎo)耦合長度完全保持不變，展示了其寬帶工作特性。  圖2 （a，b）利用彎曲波導(dǎo)人工規(guī)范場實現(xiàn)無色散耦合的原理，（c）人工規(guī)范場大小對耦合系數(shù)色散影響，（d）彎曲波導(dǎo)與直波導(dǎo)在不同波長下定向耦合效果的模擬結(jié)果。 在實驗中，研究人員加工了設(shè)計好的彎曲硅波導(dǎo)樣品，并以直波導(dǎo)樣品作為對照�？梢钥闯�，彎曲波導(dǎo)體系對于不同波長都能保持良好的定向耦合器功能，而傳統(tǒng)的直波導(dǎo)只在設(shè)計的1550nm處可以工作，并表現(xiàn)出較大的波長依賴性（圖3）�；谕瑯拥脑�，研究人員進(jìn)一步設(shè)計和加工了一個50：50分光比的彎曲波導(dǎo)樣品，其同樣也表現(xiàn)出很好的寬帶性能。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，彎曲波導(dǎo)器件的1dB帶寬約為160 nm，而傳統(tǒng)樣品僅為約38 nm。  圖3彎曲硅波導(dǎo)實現(xiàn)寬帶魯棒的定向耦合及分束功能（實驗結(jié)果） |
