上海交大苏翼凯团队LPR：基于Thouless泵浦机制的宽带鲁棒硅光器件

创新点：耦合波导结构是硅光芯片中构成模式复用/解复用器、偏振分束旋转器的基本单元。其对波长及工艺变化较为敏感，限制了芯片的良率。上海交通大学苏翼凯教授团队孙璐老师和中山大学董建文教授团队合作，利用Thouless泵浦机制成功提升了硅基耦合波导器件的带宽和工艺鲁棒性，使拓扑光子学向实际应用又前进了一步。

关键词：Laser & Photonics Reviews，拓扑光子学，硅基光波导阵列，Thouless泵浦

图1. (a) 基于硅基光波导阵列的Thouless泵浦系统。(b) 波导阵列中超模的能带结构图。其中黑色实线为体态，红色和蓝色实线为边界态。

图2. 拓扑光子定向耦合器（DC）和模式转换器（MC）与传统器件在引入波长、波导宽度和波导间距变化时的性能对比。

耦合波导结构广泛应用于硅基光电子芯片中，构成包括模式复用/解复用器、偏振分束旋转器等在内的一系列基本单元。然而，由于硅波导与二氧化硅包层之间较大的折射率对比，导致上述耦合波导器件对波长及工艺误差变化较为敏感，很大程度上影响了器件的良率，限制了硅基光电子芯片的大规模集成。

Thouless泵浦机制是拓扑凝聚态物理中的一个基本现象，能够为材料中的电子提供鲁棒的输运方式。最近，上海交通大学苏翼凯教授团队的孙璐老师和中山大学董建文教授团队合作，成功在硅基耦合光波导阵列中实现了光子的Thouless泵浦系统（如图1a所示）。当光从波导阵列最左（右）侧波导输入，模式将沿着能带结构图中的红（蓝）色边界态曲线进行绝热演化，完成从波导阵列左（右）侧至右（左）侧的鲁棒光传输，如图1b所示。

利用波导阵列中光的鲁棒传输特性，研究者设计了单模耦合器件和基模与高阶模转换器件，并实验验证了两种拓扑光子器件在120nm带宽范围内（1480 nm ~ 1600 nm）、波导宽度和波导间距在200 nm的工艺误差范围内（-50 nm ~ 150 nm）都能保持较好的性能（如图2所示）。相比于传统的硅基耦合波导器件，基于Thouless泵浦机制设计的拓扑光子器件在带宽和工艺鲁棒性方面都得到了大幅提升。审稿人评价该工作“对拓扑光子学领域具有重要贡献，因为它使该领域向实际应用又迈进了一步。“（This paper is a great contribution to the field of topological photonics as it advances the field toward practical applications.）

值得一提的是，除了文中演示的两种器件，该拓扑光学方法还可以普遍适用于横电/横磁的各阶模式器件设计，有望为面向光通信的片上模分复用系统实现提供一种新的解决方案。

相关工作以Research Article形式发表在Laser & Photonics Reviews上，文章第一作者为上海交通大学苏翼凯教授团队孙璐老师。中山大学董建文教授团队对此项研究提供了重要的指导和支持。该项目受到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目/青年项目资助。

WILEY

论文信息：

Broadband and Fabrication Tolerant Power Coupling and Mode-Order Conversion using Thouless Pumping Mechanism

Lu Sun*, Hongwei Wang, Yu He, Yong Zhang, Guojing Tang, Xintao He, Jianwen Dong, and Yikai Su*

Laser & Photonics Reviews

DOI: 10.1002/lpor.202200354

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期刊简介

Laser & Photonics Reviews是一份双月刊同行评审科学期刊，涵盖光学科学各个方面的研究，由Wiley-VCH出版，包含综述、论文、快讯文章等内容，2021年影响因子13.138。

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