前沿进展 | 硅基非对称拓扑能谷边界态

01 导读

上海交通大学电信学院苏翼凯教授课题组和物理与天文学院袁璐琦副教授联合中山大学董建文教授课题组，提出了一种通过引入不对称边界态来操纵拓扑波导中模场分布的新方法，从而可在拓扑波导之间实现具有任意耦合比的模式耦合。该项工作的第一完成人是苏翼凯教授组的王洪炜博士生。

该研究成果以“Asymmetric Topological Valley Edge States on Silicon-On-Insulator Platform”为题于2022年3月31日发表在Laser & Photonics Reviews上。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

近年来，能谷霍尔光子拓扑绝缘体 (VPTI) 由于具备抑制反向散射损耗、稳健的传输特性以及极小的器件尺寸等优势，被广泛地研究。但大多数研究仅限于讨论拓扑模场的基本物理特性，关于功能器件的研究还很有限。该研究团队从2019年开始着重研究拓扑功能器件，所关注的第一个基本器件就是分束器，而拓扑光路因为受几何结构的影响，不能像传统波导那样随意调整波导的耦合间距，如果要实现任意功率分配比就非常困难。

03 研究创新点

上海交通大学王洪炜博士生从原理出发，首先研究拓扑模式耦合的机理。开始时虽然查阅了很多文献，但都没有得到答案。在思考的过程中，从直觉出发，觉得拓扑模式在耦合时如果调整模场的横向能量分布（垂直于传播方向）就可能控制耦合强度的大小。基于传统波导的模式要改变横向能量分布比较困难，但是对拓扑波导而言恰恰非常容易。从结构上，只需要改变对称性破缺的强度就可以调控其倏逝场的衰减分布，基于这个想法，课题组深入地研究了非对称拓扑波导。传统对称的拓扑模式的倏逝场左右两边的衰减系数是一样的，所以左右模场分布是对称的，如图1(a)所示。而在图1(b)中，非对称拓扑模式是利用改变左右两边谷光子晶体(VPC)中原胞尺寸大小，让其左右两边的衰减系数不一致，从而左右模场的分布不均匀。于是利用非对称场分布，在多通道拓扑模式耦合时，可以任意改变其耦合系数。

图1、基于VPC的拓扑绝缘体中的(a)对称边界态与(b)非对称边界态的模场对比

图2(a,b)展示了两类的非对称能谷边界态的结构，基于它们的Hz能量分布特征，边界态1与边界态2分别被定义为类偶模与类奇模。为了验证非对称拓扑模式的传输与耦合特性，研究团队分别从仿真和实验上展示了类偶模在急转弯时的传输特性和类偶模与类奇模的耦合特性。结果表明非对称拓扑模式依然保持了良好的鲁棒传输特性，且两种模式可以相互耦合，但在耦合过程中，类奇模的面外辐射损耗要强于类偶模，所以与直通波导比有3dB的差异，如图2(g,h)所示（详情可见论文附件）。

图2、两类非对称拓扑模式的结构、边界态能带图和仿真实验结果

非对称拓扑波导可以用来实现多种功能器件，例如片上光耦合器/分束器、开关、滤波器等。作为一种应用举例，我们设计并制造了分光比为33:67的片上拓扑功率分配器。如图3(a)所示，该功分器由1条非对称边界1和3条非对称边界2构成，边界1、边界2（上）和边界2（下）的能谷都处于K态，而边界2（中）的能谷为K'态。所以在耦合时，光只能从2、4端口出射，不能从3端口耦合。通过改变VPC1和VPC2的晶胞尺寸大小，上下模式耦合的比例也会相应地发生变化。

图3、33:67拓扑功分器的模拟结果(a, b)、实验结果(c)和芯片照片(d-f)

该团队通过平面波展开的方法计算，可以得到基本的晶胞参数，并基于计算结果实验演示了33：67的拓扑功分器。在波长范围为1548~1572 nm内，器件的功分比的范围约为3±1 dB，在端口2处测得的额外损耗<3.25 dB，在端口4处测量的额外损耗<3.65 dB。此外，为了验证拓扑模式在片上系统传输中的性能，我们第一次在光通信波段上对拓扑功分器进行了高速传输实验，128 Gb/s四级脉冲幅度调制 (PAM4) 信号通过片上拓扑功分器传输后，功率代价低于1 dB。该工作验证了非对称拓扑模式作为鲁棒信息载体的可行性，且基于非对称拓扑波导的拓扑模式耦合有望研制出多种功能拓扑器件，并在集成化的光通信、纳米光子学和量子信息处理等多个领域得到广泛应用。

04 总结与展望

该工作验证了非对称拓扑模式作为鲁棒信息载体的可行性，且基于非对称拓扑波导的拓扑模式耦合有望研制出多种功能拓扑器件，并在集成化的光通信、纳米光子学和量子信息处理等多个领域得到广泛应用。
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202100631

推荐阅读：前沿进展 | 基于二维材料异质超表面的极化激元感应透明效应
前沿进展|光纤分布式声学传感助力远程监测火山事件
前沿进展|砷化镓超表面产生太赫兹脉冲
前沿进展|高效率的克尔孤子光频梳前沿进展|厦门大学陈焕阳课题组揭示固体浸润机制助力鱼眼透镜超分辨成像

编辑 | 方紫璇
（本文转载自公众号 AdvancedScienceNews）

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：

1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密