​中山大学董建文课题组：硅基能谷光子晶体与拓扑光传输

  近日，中山大学董建文课题组提出了面向微纳拓扑光子学研究的新方案，研制出具有抗散射、大带宽、高精度的硅基能谷光子晶体平板，并实现了光通信波段宽带抗散射传输和拓扑光子路由。

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大数据和下一代通信技术对数据计算、信息处理和传输速度的要求不断提高，新型光信息传输/处理的维度和自由度将成为后摩尔时代的关键技术。在传统框架下，不少光传输问题受到根本物理原理制约而无法在集成光电子领域获得实质性突破。长期以来，微纳光子器件中的光波导大角度转弯、制备误差引起的缺陷和无序等，会产生强烈散射损耗，从而影响了光信息的传输性能。人们希望从物理源头出发，能提出新型抗散射机制来获得整体上的高保真光传输性能，这正好与近年兴起的拓扑光子学（topological photonics）内涵相吻合。

拓扑学关注的是几何物体在连续形变下保持的全局性质，只考察物体之间的位置关系而不是它们的大小和形状。对于拓扑光学结构而言，空间上缺陷和无序只会引起局部参数空间的变化，而不影响该空间的全局性质。因此，光子态的性质非常稳定，对微纳制备误差有较高的容忍度。尽管已有大量的研究，但由于物理原理或材料属性等方面的限制，大多数研究仍集中在微波宏观尺度，难以直接推广到光波段和微纳光学系统，制约了拓扑光子学与微纳光子学之间的融合发展。

针对这一难题，中山大学董建文教授课题组利用能谷-赝自旋耦合原理，在绝缘层硅（SOI）上制备出能谷光子晶体平板。该拓扑光学结构具有~40 nm的特征尺寸，其光子模式（因工作于光锥以下）能够较好地局域在平板内，抑制了平板外损耗。研究人员制备了直线形、Z形和Ω形等三种拓扑光学通道，测量出平顶高透透射光谱带，证实了近红外波段下拓扑保护的宽带抗散射传输。进一步，采用硅微盘方案产生相位涡旋源，无需低温和强磁等极端条件，实现了拓扑边界态的选择性激发，以及亚微米量级耦合长度的宽带光子路由行为，验证了能谷-赝自旋耦合等拓扑光学原理。

在硅基平台上证实拓扑光子学原理，是目前国际学术前沿聚焦度较高的领域之一。该工作中，他们系统发展了硅基拓扑光学等关键理论，利用高精度的微纳加工工艺等关键技术，率先在硅基光子平台与拓扑/能谷光子学之间建立了联系，突破了单一自由度调控的传统框架，提出了硅基中多自由度耦合的多维调控新机制，为微纳光学与光子学、光二极管等关键光子芯片器件、混合集成光子学、高保真光量子信息光学、非线性光学等领域的研究，提供了新方法和新思路。

该研究成果由中山大学独立完成，相关文章以“A silicon-on-insulator slab for topological valley transport”为题，于2019年2月20日在线发表在[Nature Communications, 10, 872 (2019)]上。该工作得到教育部青年长江学者、国家优青基金等项目和中山大学光电材料与技术国家重点实验室、中山大学物理学院等机构的大力支持。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08881-z

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