北理工在納米光子學(xué)和拓?fù)涔庾訉W(xué)取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-07-03 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠副研究員與北京大學(xué)胡小永教授合作,，實(shí)現(xiàn)了國際上尺寸最小的基于智能算法的偏振路由器件，以封面形式發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域知名期刊《Advanced Optical Materials》上,。首次揭示了二維諧振環(huán)陣列產(chǎn)生拓?fù)湎嘧儍?nèi)在條件,，并給出了由耦合強(qiáng)度與增益損耗量共同決定的解析關(guān)系，研究成果發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Physical Review Letters上,。此外,，他們受光學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Advances in Optics and Photonics編輯邀請，撰寫綜述文章,，也是我校首次在該頂級期刊發(fā)文,。
以光子為信息載體的集成納米光子器件在光通信、高性能計算,、光互聯(lián)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。偏振路由納米器件是片上光子集成器件的重要組成部分，能夠?qū)⑷肷涞牟煌窆夥蛛x并引導(dǎo)到不同的輸出端口,。偏振路由納米器件典型的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)包括光柵、光波導(dǎo),、光子晶體,、金屬表面等離激元模式,、超構(gòu)材料等。這些結(jié)構(gòu)難以同時實(shí)現(xiàn)尺寸超小,、大帶寬,、高透過率和低損耗的高性能偏振路由納米器件；并且在設(shè)計過程在結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化需要大量的計算資源和較長的時間,，優(yōu)化過程受已有結(jié)構(gòu)類型和物理原理限制器件性能存在嚴(yán)重的局限性,。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠副研究員等人將遺傳算法和有限元法結(jié)合，發(fā)展出對不同結(jié)構(gòu),、不同材料,、不同波段、不同模式等都適用的智能算法,，能夠設(shè)計超小尺寸的片上集成光子器件,。在該工作中，他們利用智能算法設(shè)計出多種易集成的平面結(jié)構(gòu),，將入射的TE和TM模式路由到不同輸出端口,，選用微納工藝成熟的硅基材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。受已有條件限制,，器件的制備和測試在北京大學(xué)物理學(xué)院完成,。該器件工作在近紅外波段，最大透過率為85%,，兩種偏振模式輸出對比度超過11 dB,，器件尺寸僅為970 nm × 1240 nm，是目前已知實(shí)驗(yàn)報道中的通過算法設(shè)計的尺寸最小的偏振路由納米器件,。每個單元結(jié)構(gòu)的平均位置誤差容忍度20 nm左右,，在當(dāng)前的微加工技術(shù)精度以內(nèi)。同時,，他們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)從空間光到片上傳輸?shù)母咝蜀詈?，用所發(fā)展的智能算法設(shè)計出高效耦合的無序光柵結(jié)構(gòu)，分別作為TE和TM模式的耦合端,。該工作為實(shí)現(xiàn)片上偏振路由納米器件提供了一種高效,、通用的實(shí)現(xiàn)方法，也為片上集成全光器件的實(shí)現(xiàn)帶來新的啟發(fā)和通用的設(shè)計思路,，將極大地促進(jìn)納米光子集成器件的發(fā)展,，及其在高密度集成度光子芯片中的應(yīng)用。相關(guān)研究工作發(fā)表在Wiley出版社的《Advanced Optical Materials》期刊上,，被Materials Views China科技網(wǎng)站和微信同時進(jìn)行了報道（https://www.materialsviewschina.com/2020/03/43674/）,，也被兩江科技評論進(jìn)行了報道，該工作同時被編輯選為期刊封面進(jìn)行亮點(diǎn)報道,。
圖 由耦合強(qiáng)度γ和增益損耗量κ決定的二維拓?fù)湎鄨D,。拓?fù)湎嘟缑嬗蓴?shù)學(xué)關(guān)系tanγ=cosh(2κ)描述,。
在拓?fù)涔庾訉W(xué)方面，與北京大學(xué)物理學(xué)院胡小永教授合作,，發(fā)現(xiàn)在二維PT對稱構(gòu)型的耦合諧振環(huán)陣列光子拓?fù)浣^緣體中存在拓?fù)湎嘧?；并且揭示了產(chǎn)生拓?fù)湎嘧兊膬?nèi)在條件：首次給出了由耦合強(qiáng)度與增益損耗量共同決定的解析關(guān)系。相關(guān)研究成果發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》上,，特別感謝回復(fù)審稿意見過程香港科技大學(xué)物理系C. T. Chan教授和清華大學(xué)物理系劉永椿副教授的幫助,。
拓?fù)涔庾訉W(xué)是光學(xué)領(lǐng)域十分活躍的研究方向，非厄米拓?fù)潴w系因其存在更豐富的物理現(xiàn)象及重要的應(yīng)用潛力在近年來受到關(guān)注,，但是非厄米拓?fù)湎到y(tǒng)的內(nèi)在物理十分復(fù)雜,，因而在二維非厄米拓?fù)涔庾芋w系中實(shí)現(xiàn)拓?fù)湎嘧円约熬_的主動調(diào)控面臨巨大挑戰(zhàn)。他們采用傳輸矩陣方法分析了滿足PT對稱性的耦合諧振環(huán)陣列光子拓?fù)浣^緣體,，通過計算體系能帶結(jié)構(gòu)證明了該非厄米體系中存在拓?fù)湎嘧?，并通過代數(shù)分析得到了描述拓?fù)湎嘧儼l(fā)生條件的解析關(guān)系式，由此解析關(guān)系即得到了該非厄米系統(tǒng)的一個二維拓?fù)湎鄨D,。研究結(jié)果顯示,，通過對系統(tǒng)主環(huán)外加泵浦的方式，即可在拓?fù)浞瞧椒矐B(tài)與平凡態(tài)間切換,。這一發(fā)現(xiàn)為調(diào)控光子拓?fù)浣^緣體拓?fù)湎嘧兲峁┝艘粋€新的維度,，對主動調(diào)控拓?fù)鋺B(tài)的進(jìn)一步發(fā)展具有指導(dǎo)作用，并對非厄米拓?fù)涔庾訉W(xué)的進(jìn)一步研究具有啟發(fā)意義,。
此外,，他們受光學(xué)領(lǐng)域頂級期刊美國光學(xué)學(xué)會《Advances in Optics and Photonics》期刊編輯邀請，撰寫了七十余頁的綜述文章“Photonic molecule quantum optics”,，全面概述了光分子量子光學(xué)的基本原理,、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為快速發(fā)展的光分子量子光學(xué)領(lǐng)域提供一個通用的框架,，包括實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和材料框架,、基本物理機(jī)制、在集成光子器件中的應(yīng)用,、面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向及展望,。文章發(fā)表后成為該期刊當(dāng)月下載量最高的十篇文章之一。
以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委,、北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動計劃,、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和北京市科學(xué)技術(shù)委員會等的支持,。
文章信息：（*為通訊作者）
[1] Cuicui Lu,* Zhouhui Liu, You Wu, Zhiyuan Xiao, Dongyi Yu, Hongyu Zhang, Chenyang Wang, Xiaoyong Hu,* Yong-Chun Liu, Xiaohong Liu, and Xiangdong Zhang, Nanophotonic polarization routers based on intelligent algorithm, Advanced Optical Materials 8, 1902018 (2020).
[2] Yutian Ao, Xiaoyong Hu,* Yilong You, Cuicui Lu,* Yulan Fu, Xingyuan Wang,* Qihuang Gong, Topological Phase Transition in Non-Hermitian Coupled Resonator Array, Physical Review Letters 125, 013902 (2020).
[3] Kun Liao, Xiaoyong Hu,* Tianyi Gan, Qihang Liu, Zhenlin Wu, Xilin Feng, Chongxiao Fan, Cuicui Lu,* Yongchun Liu, and Qihuang Gong, Photonic-Molecule Quantum Optics, Advances in Optics and Photonics 12, 60 (2020).
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