北京理工大學(xué)在拓撲微納光子器件領(lǐng)域取得重要進展
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠教授等人，提出利用光子晶體晶格平移和旋轉(zhuǎn)等方式構(gòu)建多頻率合成維度拓撲態(tài)的方法，實現(xiàn)了芯片上拓撲彩虹納米光子器件，研究成果發(fā)表在Nature Communications上。 _$P1N^}Z s
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以光子為信息載體的微納全光器件在光通信、光信息處理、光計算等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，是實現(xiàn)下一代光子芯片的核心元器件。器件尺寸越小，越有利于集成，然而，越小的器件性能受結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差影響通常越大。拓撲光子態(tài)由于受到拓撲保護，與傳統(tǒng)的光子態(tài)相比，具有魯棒性和抗干擾等優(yōu)點，因此拓撲態(tài)為微納全光器件的實現(xiàn)提供了新平臺。頻率作為光子的自由度，是傳輸信息的基本載體，因此多頻率傳輸是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息處理的關(guān)鍵。已有的拓撲光子學(xué)報道幾乎都是針對特定能帶和特定頻段進行研究，例如單向傳輸、高階拓撲、拓撲激光等，而在同一個結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)多頻率拓撲態(tài)的微納器件面臨困難。 n.7-$1
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北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠等人提出基于晶格平移和旋轉(zhuǎn)的光子晶體合成維度方法，用于構(gòu)建片上集成的多頻率拓撲微納光子器件，開辟了拓撲彩虹微納光子器件的研究方向。受Applied Physics Letters主編邀請，撰寫了“Perspective on the topological rainbow”的觀點展望文章（Sayed Elshahat, Chenyang Wang, Hongyu Zhang, Cuicui Lu,* Appl. Phys. Lett. 119, 230505, 2021）。由于器件受到拓撲保護，在經(jīng)歷結(jié)構(gòu)縮放、隨機誤差、材料缺陷或雜質(zhì)干擾等情況時，只要光子晶體帶隙不閉合，這類基于合成維度的拓撲彩虹微納器件性能不受破壞而穩(wěn)定存在。 uI\6":/u
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圖1.（a）樣品電鏡圖；（b）樣品測試示意圖；（c）散射式近場光學(xué)顯微鏡實驗裝置圖。 J,*+Ak
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通過發(fā)展近場光學(xué)顯微鏡技術(shù)，對合成維度光子晶體拓撲彩虹納米器件的表面電場給出了直接表征，每個光子晶格的電場分布清晰可見，不同頻率下的拓撲態(tài)電場最大值出現(xiàn)在不同的晶格位置，在納米尺度芯片上實現(xiàn)了顯著的拓撲彩虹效應(yīng)。發(fā)展的無孔散射式近場光學(xué)表征技術(shù)具有顯著優(yōu)點：樣品的形貌和光學(xué)信號能夠同步測量，因此可以直接提供光子晶體不同位置的電場振幅信號；無孔的原子力顯微鏡（AFM）探針由于其針尖只有20 nm尺寸，因此能夠深入到單個光子晶體空氣孔中，具有極高的分辨率。此外采用波導(dǎo)端面耦合激發(fā)方式提高激發(fā)效率，利用光纖收集樣品表面光纖信號同時具有高收集效率和低背景噪聲等優(yōu)勢。這也是在納米尺度上第一個片上集成的拓撲彩虹光子器件，建立了拓撲光子學(xué)前沿研究與硅基光子學(xué)成熟工藝的橋梁，為促進拓撲光子學(xué)物理概念向光子芯片器件應(yīng)用的轉(zhuǎn)化提供了思路和機會。 d*_rJE}B
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圖2.（a）樣品設(shè)計圖示例；（b）計算的不同波長在合成維度光子晶體表面的光強分布；（c）樣品原子力顯微鏡形貌圖；（d）實驗測得的不同波長在合成維度光子晶體表面的表面光強分布，不同波長被囚禁在界面不同晶格位置。 o8X? 1
研究還發(fā)現(xiàn)，利用光子晶體晶格旋轉(zhuǎn)方式同樣能夠?qū)崿F(xiàn)片上拓撲彩虹，并且拓撲態(tài)具有更緊湊的電場分布，不同頻率的拓撲態(tài)電場分布無覆蓋。此外通過調(diào)控結(jié)構(gòu)或材料參數(shù)，也可以實現(xiàn)沒有重疊的不同頻率拓撲態(tài)分布。進一步地，將芯片上二維合成維度光子晶體結(jié)構(gòu)擴展到高維的空間光子晶體，拓撲彩虹現(xiàn)象穩(wěn)定存在，不同頻率的拓撲態(tài)將在空間分開并囚禁在空間不同位置。拓撲彩虹微納光子器件研究為解決片上集成的路由器件、波分復(fù)用器件、光子緩存器件、慢光器件等納米器件的魯棒性提供可靠的方法。 7$mB. \|
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圖3.光子晶體晶格旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的拓撲彩虹，不同頻率的拓撲態(tài)囚禁在芯片上不同位置（a-c）；空間合成維度光子晶體拓撲彩虹，不同頻率的拓撲態(tài)囚禁在空間不同位置（d-f）。 .=zBUvy
北京理工大學(xué)路翠翠教授、北京大學(xué)胡小永教授和暨南大學(xué)丁偉研究員為論文的共同通訊作者，北京理工大學(xué)路翠翠教授、暨南大學(xué)孫一之助理研究員和北京理工大學(xué)2017級本科生王晨陽為論文共同第一作者，北京理工大學(xué)2021級博士生張紅鈺和2021級碩士生趙聞也分別對實驗和理論做出了貢獻，論文合作者還包括武漢大學(xué)肖孟教授、清華大學(xué)劉永椿副教授和香港科技大學(xué)陳子亭教授。該工作第一單位為北京理工大學(xué)物理學(xué)院，得到國家自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者學(xué)術(shù)啟動計劃、國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項目支持。 M<r]a{Yv
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路翠翠教授從事微納光子學(xué)和拓撲光子學(xué)研究，在PRL、NC、Light等發(fā)表論文50余篇（影響因子大于8.0的有19篇），自2020年起擔(dān)任Optics Letters 期刊編委、Frontiers in Physics期刊編委和客座編輯、Frontiers in Materials客座編輯、華為公司顧問。曾獲PIERS2021青年科學(xué)家獎（全球15人）、北京市優(yōu)秀本科畢業(yè)論文/設(shè)計指導(dǎo)教師。 m=25HH7enb
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文章信息：Cuicui Lu,* Yi-Zhi Sun, Chenyang Wang, Hongyu Zhang, Wen Zhao, Xiaoyong Hu,* Meng Xiao, Wei Ding,* Yong-Chun Liu, C. T. Chan, "On-chip nanophotonic topological rainbow", Nature Communications, 13, 2586 (2022). [Z^ 26/5a
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文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30276-w
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