湖南大学刘建军课题组：基于拓扑角态与边界态的耦合腔波导

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撰稿| 由课题组供稿

导读

近日，湖南大学刘建军课题组基于零维的拓扑角态与一维的拓扑边界态的耦合构建了拓扑耦合腔波导，该拓扑耦合腔波导具有强局域性、高品质因数及优异的鲁棒性。该工作首先基于光子晶体Zak相位的跳变及体边角对应关系，在二维光子晶体中获得了一维的拓扑边界态模式及零维的拓扑角态模式。然后，构建了基于拓扑角态腔与拓扑边界态波导的拓扑耦合腔波导，研究了其谐振特性与态密度。通过与传统点缺陷腔及传统线缺陷波导构建的传统耦合腔波导相对比，该拓扑耦合腔波导具有强局域性、高品质因数及优异的鲁棒性。该拓扑耦合腔波导将为设计高性能逻辑门、激光器及滤波器等微纳光子学器件及其集成并扩展其应用提供可能。相关成果以“Coupled cavity-waveguide based on topological corner state and edge state”为题于2021年2月24日在线发表于光学传统顶级期刊《Optics Letters》。湖南大学博士生史奥芊为论文的第一作者，湖南大学刘建军副教授为论文的通讯作者，浙江大学沙威研究员在物理机理及模型优化等方面提出了有价值的建议。

研究背景

操控光的传播是光通信领域的核心内容，基于光子晶体的耦合腔波导可实现光信号的输入、局域及输出，广泛应用于滤波器、传感器及激光器等微纳光子学器件。然而，传统的光波导及光学腔的性能易受到由实际制备误差产生的障碍及缺陷的影响。光子拓扑绝缘体及其拓扑态为控制光的传播提供了新材料及新途径。基于拓扑边界态构建的光波导（拓扑边界态波导）可实现无背向散射及免疫障碍的传输，但其难以在波长量级的区域中实现强的电磁局域。不同于拓扑边界态波导，基于拓扑角态构建的光学腔（拓扑角态腔）可将电磁能量强烈的局域于一点，但无法实现电磁信号的传输。因此，为使电磁信号既可实现强局域又可实现抗干扰无损传输，基于拓扑角态与拓扑边界态的耦合腔波导亟待构建及研究。

创新研究

在上述研究基础上，本研究组基于拓扑角态与拓扑边界态的耦合构建了一种拓扑耦合腔波导，其同时具备强局域特性及抗干扰的传输特性。由于拓扑边界态在能带边缘具有平带特性及拓扑角态的强局域性，该拓扑耦合腔波导具备较强的腔—波导的相互作用。通过理论推导及仿真分析，并与传统点缺陷腔及传统线缺陷波导构建的传统耦合腔波导相对比，进一步验证了该拓扑耦合腔波导的强局域性、高品质因数及优异的鲁棒性。

图文速览

图1(a) 正方晶格光子晶体；(b) 4种原胞；(c)4种原胞（红色方框）周期阵列构成的4种正方晶格光子晶体；(d)TM极化下4种原胞的能带结构，其中绿色、红色及蓝色三种点线重合，只显示蓝色点；(e) 4种原胞在第一条体能带高对称点的E_z分量场图。

图2 (a)-(b) PC1分别与PC3、PC4组合的投影能带，插图为超晶胞（每种PC各15个原胞）及其两种拓扑边界态模式在布里渊区高对称点(0,0)（左）、(π/a,0)（右）处的电场分布；(c) PC1与PC4组合结构的本征模式图；(d) PC1（192个原胞）与PC4（64个原胞）组合结构（256个原胞）的示意图及角态模式的电场分布。

图3 (a) 上图：拓扑耦合腔波导的模型，下图：谐振模式的电场分布，红色箭头与紫色短线分别对应光信号与监视器；(b) 透射谱：仿真数据点及Fano曲线拟合；(c)上图：传统耦合腔波导的模型，下图：谐振模式的电场分布；(d) 透射谱：仿真数据点及Fano曲线拟合。

图4 (a) 拓扑边界态波导的投影能带，紫色点线对应角态频率；(b) 传统线缺陷波导的投影能带，绿色点线对应点缺陷腔谐振频率。

图5 (a)-(b) 拓扑耦合腔波导：谐振波长依次为1536.48 nm、1538.64 nm，品质因数依次为2.2463×10⁶、1.7698×10⁶；(c)-(d) 传统耦合腔波导：谐振波长依次为1380.20 nm、1363.43 nm，品质因数依次为9.3857×10⁴、5.8238×10⁴。红色矩形框内对应金属障碍物（s₁），紫色圆圈内对应点缺陷（s₂）。

其中，α、β分别表示谐振波长、品质因数在引入障碍物（s₁）及缺陷（s₂）时的相对变化量。

总 结

该工作提出了一种基于拓扑角态腔与拓扑边界态波导构建的拓扑耦合腔波导。该拓扑耦合腔波导具有强局域性、高品质因数及优异的鲁棒性，将为设计高性能逻辑门、激光器及滤波器等微纳光子学器件及其集成并扩展其应用提供可能。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金及中央高校基本科研业务费的支持。

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 文章链接

A. Shi, B. Yan, R. Ge, J. Xie, Y. Peng, H. Li, W. E. I. Sha, and J. Liu, “Coupled cavity-waveguide based on topological corner state and edge state,”Optics Letters46(5): 1089-1092(2021).

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-46-5-1089

DOI:https://doi.org/10.1364/OL.418570

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