南京大學科研團隊在光子集成方面取得重要進展
近日，南京大學李濤教授、祝世寧院士團隊在光子集成方面取得重要進展，他們將拓撲光子領域中人工規(guī)范場的思想引入到集成光子器件的設計中，利用彎曲設計實現(xiàn)高密度集成波導之間的無色散耦合，從而實現(xiàn)寬帶、魯棒性、高集成的光波導定向耦合與分束性能，并展示三級級聯(lián)的18光集成網絡功能。 U}w'/:H
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在光子芯片上實現(xiàn)對光的靈活操控是現(xiàn)代光學信息處理和光電子集成的基礎，其中波導耦合是構建多種光子集成功能的基礎模塊。然而，基于倏逝波耦合波導結構在高密度集成中對工作波長和結構的精準性要求極高，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償調節(jié)。盡管研究人員已經提出多種方案，但器件的綜合性能（如集成度、工作帶寬、結構魯棒性、器件功耗等）依舊難以滿足大規(guī)模光子集成的需求。 y C xYFi
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規(guī)范場（Gauge field）是物理學中闡述物理定律定域規(guī)范不變性的物質場，可以描述帶電粒子之間的相互作用。后來人們發(fā)展出受結構調控的等效人工規(guī)范場（Artificial Gauge Field），也可以操控中性粒子（如光子）的動力學演化，因此在光場調控領域展示了強大的調控能力，例如光子AB效應、等效磁場等。在波導體系中，人們已經發(fā)現(xiàn)可以通過彎曲波導來產生規(guī)范場，從而實現(xiàn)光場的靈活操控，如負折射、Floquet拓撲絕緣體等。在前期的工作中，該研究團隊已經在高密度集成的彎曲硅波導中實現(xiàn)了亞波長自成像功能（Adv Photon 2, 036001），人工規(guī)范場誘導的拓撲界面態(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，以及在集成光子學的應用前景。 )ce 6~
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在這項工作中，研究人員精心研究了耦合波導之間色散的來源，提出了通過調控波導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)直波導的色散相反，并在一定波長范圍內實現(xiàn)完全補償，達到零色散特性。同時，可以保持耦合波導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的寬帶耦合功能，即不同頻率的光都可以耦合到相鄰波導中（見示意圖1）。得益于這個寬帶特性，其耦合效應對波導間距敏感度也顯著降低，具有結構魯棒性，大大有利于大規(guī)模光子集成。 w9'>&W8T
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圖1. 波導間的無色散耦合示意圖 R,3cJ
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