近日，我院丁伟研究员团队和北京理工大学路翠翠教授团队、北京大学胡小永教授团队合作在片上拓扑彩虹器件研究中取得重要进展，首次在纳米尺度的芯片上观测到显著的拓扑彩虹效应。相关成果以“On-chip nanophotonic topological rainbow”为题发表在国际学术期刊 Nature Communications。
以光子为信息载体的微纳全光器件在光通信、光信息处理、光计算等领域有重要应用。器件尺寸越小，越有利于集成，但是，器件性能受结构参数误差影响也会越大。拓扑光子态由于受拓扑数守恒保护，与传统光子态相比具有鲁棒性和抗干扰的优点。频率作为光的自由度，是传输信息的基本载体，多频率光传输是实现大数据信息处理的基础。为了实现这一目标，可以利用光子晶体合成维度构建出片上多频率拓扑态微纳器件。这类“拓扑彩虹器件”在经历结构缩放、随机误差、材料缺陷或杂质干扰时，只要光子晶体带隙不闭合，器件性能就不会受影响。
然而，在纳米尺度实现片上集成拓扑彩虹器件面临很大挑战。一方面，光场分辨率需要极大地突破衍射极限（达到几十纳米量级）才能表征光通讯波段光子晶体单个晶格内的电场分布。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、孙一之讲师、北京大学胡小永教授等人利用自主开发的散射式近场光学显微镜，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验检验了显著的拓扑彩虹效应，并且和仿真计算结果一致。
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。
散射式近场光学表征技术具有两个显著优点：（1）样品形貌和光学信号能够同步测量，可以直接提供光子晶体不同位置处的电场振幅信号；（2）使用的原子力显微镜探针针尖具有小于20 nm的尺寸，能够深入到单个光子晶体空气孔中，并且提供极高的空间分辨率。此外，采用波导端面耦合方式提高激发效率，用同一根光纤收集样品表面近场反射信号，可以同时具有高收集效率和低背景噪声的优势。在纳米尺度下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新的思路和实验技术。
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。
我院孙一之讲师和北京理工大学路翠翠教授、王晨阳研究生为共同第一作者，我校丁伟研究员和北京理工大学路翠翠教授、北京大学胡小永教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用研究基金（项目编号：2021B1515020030）、中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号：21620316）等项目的资助。