北京理工大学在拓扑微纳光子器件领域取得重要进展
近日，北京理工大学物理学院路翠翠教授等人，提出利用光子晶体晶格平移和旋转等方式构建多频率合成维度拓扑态的方法，实现了芯片上拓扑彩虹纳米光子器件，研究成果发表在Nature Communications上。
以光子为信息载体的微纳全光器件在光通信、光信息处理、光计算等领域有着重要应用，是实现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，越小的器件性能受结构参数误差影响通常越大。拓扑光子态由于受到拓扑保护，与传统的光子态相比，具有鲁棒性和抗干扰等优点，因此拓扑态为微纳全光器件的实现提供了新平台。频率作为光子的自由度，是传输信息的基本载体，因此多频率传输是实现大数据信息处理的关键。已有的拓扑光子学报道几乎都是针对特定能带和特定频段进行研究，例如单向传输、高阶拓扑、拓扑激光等，而在同一个结构中实现多频率拓扑态的微纳器件面临困难。
北京理工大学物理学院路翠翠等人提出基于晶格平移和旋转的光子晶体合成维度方法，用于构建片上集成的多频率拓扑微纳光子器件，开辟了拓扑彩虹微纳光子器件的研究方向。受Applied Physics Letters主编邀请，撰写了“Perspective on the topological rainbow”的观点展望文章（Sayed Elshahat, Chenyang Wang, Hongyu Zhang, Cuicui Lu,* Appl. Phys. Lett. 119, 230505, 2021）。由于器件受到拓扑保护，在经历结构缩放、随机误差、材料缺陷或杂质干扰等情况时，只要光子晶体带隙不闭合，这类基于合成维度的拓扑彩虹微纳器件性能不受破坏而稳定存在。
图1 （a）样品电镜图；（b）样品测试示意图；（c）散射式近场光学显微镜实验装置图。
通过发展近场光学显微镜技术，对合成维度光子晶体拓扑彩虹纳米器件的表面电场给出了直接表征，每个光子晶格的电场分布清晰可见，不同频率下的拓扑态电场最大值出现在不同的晶格位置，在纳米尺度芯片上实现了显著的拓扑彩虹效应。发展的无孔散射式近场光学表征技术具有显著优点：样品的形貌和光学信号能够同步测量，因此可以直接提供光子晶体不同位置的电场振幅信号；无孔的原子力显微镜（AFM）探针由于其针尖只有20 nm尺寸，因此能够深入到单个光子晶体空气孔中，具有极高的分辨率。此外采用波导端面耦合激发方式提高激发效率，利用光纤收集样品表面光纤信号同时具有高收集效率和低背景噪声等优势。这也是在纳米尺度上第一个片上集成的拓扑彩虹光子器件，建立了拓扑光子学前沿研究与硅基光子学成熟工艺的桥梁，为促进拓扑光子学物理概念向光子芯片器件应用的转化提供了思路和机会。
图2 （a）样品设计图示例；（b）计算的不同波长在合成维度光子晶体表面的光强分布；（c）样品原子力显微镜形貌图；（d）实验测得的不同波长在合成维度光子晶体表面的表面光强分布，不同波长被囚禁在界面不同晶格位置。
研究还发现，利用光子晶体晶格旋转方式同样能够实现片上拓扑彩虹，并且拓扑态具有更紧凑的电场分布，不同频率的拓扑态电场分布无覆盖。此外通过调控结构或材料参数，也可以实现没有重叠的不同频率拓扑态分布。进一步地，将芯片上二维合成维度光子晶体结构扩展到高维的空间光子晶体，拓扑彩虹现象稳定存在，不同频率的拓扑态将在空间分开并囚禁在空间不同位置。拓扑彩虹微纳光子器件研究为解决片上集成的路由器件、波分复用器件、光子缓存器件、慢光器件等纳米器件的鲁棒性提供可靠的方法。
图3 光子晶体晶格旋转实现的拓扑彩虹，不同频率的拓扑态囚禁在芯片上不同位置（a-c）；空间合成维度光子晶体拓扑彩虹，不同频率的拓扑态囚禁在空间不同位置（d-f）。
北京理工大学路翠翠教授、北京大学胡小永教授和暨南大学丁伟研究员为论文的共同通讯作者，北京理工大学路翠翠教授、暨南大学孙一之助理研究员和北京理工大学2017级本科生王晨阳为论文共同第一作者，北京理工大学2021级博士生张红钰和2021级硕士生赵闻也分别对实验和理论做出了贡献，论文合作者还包括武汉大学肖孟教授、清华大学刘永椿副教授和香港科技大学陈子亭教授。该工作第一单位为北京理工大学物理学院，得到国家自然科学基金、北京理工大学特立青年学者学术启动计划、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金等项目支持。
路翠翠教授从事微纳光子学和拓扑光子学研究，在PRL、NC、Light等发表论文50余篇（影响因子大于8.0的有19篇），自2020年起担任Optics Letters 期刊编委、Frontiers in Physics期刊编委和客座编辑、Frontiers in Materials客座编辑、华为公司顾问。曾获PIERS2021青年科学家奖（全球15人）、北京市优秀本科毕业论文/设计指导教师。
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).