北京理工大學(xué)在拓?fù)湮⒓{光子器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-05-12 供稿：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
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?fù)鋺B(tài)的方法,，實(shí)現(xiàn)了芯片上拓?fù)洳屎缂{米光子器件，研究成果發(fā)表在Nature Communications上,。
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(jì)算等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用,，是實(shí)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?fù)涔庾討B(tài)由于受到拓?fù)浔Ｗo(hù),，與傳統(tǒng)的光子態(tài)相比,，具有魯棒性和抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此拓?fù)鋺B(tài)為微納全光器件的實(shí)現(xiàn)提供了新平臺(tái),。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(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息處理的關(guān)鍵,。已有的拓?fù)涔庾訉W(xué)報(bào)道幾乎都是針對(duì)特定能帶和特定頻段進(jìn)行研究,，例如單向傳輸,、高階拓?fù)?、拓?fù)浼す獾龋谕粋€(gè)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多頻率拓?fù)鋺B(tài)的微納器件面臨困難,。
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?fù)湮⒓{光子器件，開(kāi)辟了拓?fù)洳屎缥⒓{光子器件的研究方向,。受Applied Physics Letters主編邀請(qǐng),，撰寫了“Perspective on the topological rainbow”的觀點(diǎn)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?fù)浔Ｗo(hù),，在經(jīng)歷結(jié)構(gòu)縮放,、隨機(jī)誤差、材料缺陷或雜質(zhì)干擾等情況時(shí),，只要光子晶體帶隙不閉合,，這類基于合成維度的拓?fù)洳屎缥⒓{器件性能不受破壞而穩(wěn)定存在。
圖1 （a）樣品電鏡圖,；（b）樣品測(cè)試示意圖,；（c）散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置圖。
通過(guò)發(fā)展近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡技術(shù),，對(duì)合成維度光子晶體拓?fù)洳屎缂{米器件的表面電場(chǎng)給出了直接表征,，每個(gè)光子晶格的電場(chǎng)分布清晰可見(jiàn),，不同頻率下的拓?fù)鋺B(tài)電場(chǎng)最大值出現(xiàn)在不同的晶格位置，在納米尺度芯片上實(shí)現(xiàn)了顯著的拓?fù)洳屎缧?yīng),。發(fā)展的無(wú)孔散射式近場(chǎng)光學(xué)表征技術(shù)具有顯著優(yōu)點(diǎn)：樣品的形貌和光學(xué)信號(hào)能夠同步測(cè)量,，因此可以直接提供光子晶體不同位置的電場(chǎng)振幅信號(hào)；無(wú)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(gè)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(hào)同時(shí)具有高收集效率和低背景噪聲等優(yōu)勢(shì),。這也是在納米尺度上第一個(gè)片上集成的拓?fù)洳屎绻庾悠骷⒘送負(fù)涔庾訉W(xué)前沿研究與硅基光子學(xué)成熟工藝的橋梁,，為促進(jìn)拓?fù)涔庾訉W(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(jī)會(huì),。
圖2 （a）樣品設(shè)計(jì)圖示例；（b）計(jì)算的不同波長(zhǎng)在合成維度光子晶體表面的光強(qiáng)分布,；（c）樣品原子力顯微鏡形貌圖,；（d）實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同波長(zhǎng)在合成維度光子晶體表面的表面光強(qiáng)分布，不同波長(zhǎng)被囚禁在界面不同晶格位置,。
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?fù)洳屎纾⑶彝負(fù)鋺B(tài)具有更緊湊的電場(chǎng)分布,，不同頻率的拓?fù)鋺B(tài)電場(chǎng)分布無(wú)覆蓋,。此外通過(guò)調(diào)控結(jié)構(gòu)或材料參數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有重疊的不同頻率拓?fù)鋺B(tài)分布,。進(jìn)一步地,，將芯片上二維合成維度光子晶體結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到高維的空間光子晶體，拓?fù)洳屎绗F(xiàn)象穩(wěn)定存在,，不同頻率的拓?fù)鋺B(tài)將在空間分開(kāi)并囚禁在空間不同位置,。拓?fù)洳屎缥⒓{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。
圖3 光子晶體晶格旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的拓?fù)洳屎?，不同頻率的拓?fù)鋺B(tài)囚禁在芯片上不同位置（a-c）,；空間合成維度光子晶體拓?fù)洳屎纾煌l率的拓?fù)鋺B(tài)囚禁在空間不同位置（d-f）,。
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(jí)本科生王晨陽(yáng)為論文共同第一作者,，北京理工大學(xué)2021級(jí)博士生張紅鈺和2021級(jí)碩士生趙聞也分別對(duì)實(shí)驗(yàn)和理論做出了貢獻(xiàn),，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(guó)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(dòng)計(jì)劃,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目支持。
路翠翠教授從事微納光子學(xué)和拓?fù)涔庾訉W(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(wèn),。曾獲PIERS2021青年科學(xué)家獎(jiǎng)（全球15人）、北京市優(yōu)秀本科畢業(yè)論文/設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師,。
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).
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30276-w
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