Nat. Commun. 北理工路翠翠、暨大丁伟、北大胡小永课题组合作实现芯片上拓扑彩虹纳米器件

课题组供稿

导读

研究背景

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，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。

研究亮点

北京理工大学路翠翠教授等人提出了基于光子晶体晶格平移的合成维度物理概念。利用光子晶体合成维度构建了芯片上多频率拓扑态微纳器件。通过控制不同频率拓扑态的色散，实现了将不同频率的拓扑态进行分离和囚禁在空间不同位置，即拓扑彩虹囚禁现象（Cuicui Lu,* Chenyang Wang, Meng Xiao,* Z. Q. Zhang, and C. T. Chan,* Phys. Rev. Lett. 126, 113902, 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器件性能不受影响而稳定存在。

然而，在纳米尺度实现片上集成的拓扑彩虹器件面临很大挑战，一方面，光场分辨需要极大地突破衍射极限达到几十纳米量级的精度才能表征光通讯波段光子晶体单个晶格的电场分布；另一方面，在同一芯片上制备光子晶体结构、传输波导、耦合结构、激发端的过程十分复杂。北京理工大学路翠翠教授、暨南大学丁伟研究员、孙一之助理研究员、北京大学胡小永教授等人利用无孔散射式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。

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。

这种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。在纳米尺度上实现片上集成的拓扑彩虹光子器件，建立起拓扑光子学前沿研究与多频率硅基光子器件工艺的桥梁，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）样品设计示例图；（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，也可以实现不同频率的拓扑态分布并且完全没有重叠。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。合成维度光子晶体为拓扑微纳器件的实现带来了更多机会；近场光学显微技术提供了探测片上多频率拓扑态微纳器件的高效方法。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）。

该工作得到全部审稿人的高度评价。审稿人一认为：“The content of the present paper is very interesting, of broad interest, and represents an important step for a timely subject…（这篇论文内容非常有趣，具有广泛兴趣，代表着在最新的话题上迈出重要的一步）”；审稿人二评价：“The presented results are overall technically interesting and may be useful for some particular nanophotonic devices…（当前的结果技术上很有趣，对于一些特殊的纳米光子器件也很有用）”；审稿人三评价：“The work shows an interesting topological effect which has not been demonstrated previously. I am happy to recommend its publication in Nature Communications…（该工作展现出从未表明的有趣拓扑现象，我很高兴推荐其在NC上发表）”。

论文信息

北京理工大学路翠翠、暨南大学孙一之、北京理工大学王晨阳为论文的共同第一作者，北理工路翠翠教授、北大胡小永教授、暨大丁伟研究员为共同通讯作者。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等人。该工作得到了国家自然科学基金、北京理工大学特立青年学者高层次人才学术启动计划、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、中央高校基本科研业务费、香港研究资助局等项目的支持。

文章链接：

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, DOI: 10.1038/s41467-022-30276-w (2022).

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30276-w