前沿进展 | 人工规范场设计无色散耦合波导，可实现大规模光子集成

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士团队在光子集成方面取得重要进展，他们将拓扑光子领域中人工规范场的思想引入到集成光子器件的设计中，利用弯曲设计实现高密度集成波导之间的无色散耦合，实现了高宽带、鲁棒性、高集成的光波导定向耦合与分束性能，并展示三级级联的1×8光集成网络功能。

该成果以“Dispersionless Coupling among Optical Waveguides By Artificial Gauge Field”为题于2022年7月26日发表在Physical Review Letters上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

在光电芯片上实现对光的灵活操控是现代光学信息处理和光电子集成的基础，其中波导耦合是构建多种光子集成功能的基础模块。然而，基于倏逝波耦合波导结构在高密度集成中对工作波长和结构的精准性要求极高，因此工作带宽非常受限，同时在大规模集成时需要相位补偿调节。尽管研究人员已经提出多种方案，但器件的综合性能（如集成度、工作带宽、结构鲁棒性、器件功耗等）依旧难以满足大规模光子集成的需求。

规范场（Gauge field）是物理学中阐述物理定律定域规范不变性的物质场，可以描述带电粒子之间的相互作用。后来人们发展出受结构调控的等效人工规范场（Artificial Gauge Field），也可以操控中性粒子（如光子）的动力学演化，因此在光场调控领域展示了强大的调控能力，例如光子AB效应、等效磁场等。

在波导体系中，人们已经发现可以通过弯曲波导来产生规范场，从而实现光场的灵活操控，如负折射、Floquet拓扑绝缘体等。在前期的工作中，该研究团队已经在高密度集成的弯曲硅波导中实现了亚波长自成像功能（Adv Photon 3, 036001 (2020)），人工规范场诱导的拓扑界面态（Laser Photon. Rev. 15, 2000584 (2021)），演示了人工规范场在亚波长尺度上控制光的可能性，以及在集成光子学的应用前景。

03 研究创新点

该团队精心研究了耦合波导之间色散的来源，提出了通过调控波导弯曲可以引入一个新的人工规范场（AGF）色散项。在选择合适的参数下，AGF色散项可以与传统直波导的色散相反，并在一定波长范围内实现完全补偿，达到零色散特性。同时，可以保持耦合波导的间距和耦合距离没有明显变化，这就赋予了高密度集成波导的宽带耦合功能，即不同频率的光都可以耦合到相邻波导中（图1）。得益于这个宽带特性，其耦合效应对波导间距敏感度也显著降低，具有结构鲁棒性，大大有利于大规模光子集成。

图1 波导间的无色散耦合示意图

该团队以常见的正弦弯曲的波导为例演示了这种无色散耦合现象，如图2所示。正弦弯曲的波导的等效耦合系数（c_eff）可以用贝塞尔函数（J₀），可以有正、负及零耦合的调制。而考察耦合系数随着波长变化时，研究发现除了传统直波导色散项（图2公式右面υ₀项）外，多了一项人工规范场υ_AGF项（红线标注项），经过推导该项与贝塞尔函数的系数比值有关（J₁/J₀）,当二者反号时（图二（b）红色区域）有望与第一项抵消，从而获得无色散耦合。

图2（a，b）利用弯曲波导人工规范场实现无色散耦合的原理，（c）人工规范场大小对耦合系数色散影响，（d）弯曲波导与直波导在不同波长下定向耦合效果的模拟结果

图2（c）展示了通过参数调节构建的零色散效果（A=0.9）。图2（d）则对比了不同波长下弯曲波导无色散的耦合与直波导耦合色散效应的理论计算结果，人工规范场设计的弯曲波导耦合长度完全保持不变，展示了其宽带工作特性。

在实验中，该团队加工了设计好的弯曲硅波导样品，并以直波导样品作为对照。可以看出，弯曲波导体系对于不同波长都能保持良好的定向耦合器功能，而传统的直波导只在设计的1550 nm处可以工作，并表现出较大的波长依赖性（图3）。

图3 弯曲硅波导实现宽带鲁棒的定向耦合及分束功能（实验结果）

基于同样的原理，他们进一步设计和加工了一个50：50分光比的弯曲波导样品，其同样也表现出很好的宽带性能。根据实验数据，弯曲波导器件的1 dB带宽约为160 nm，而传统样品仅为约38 nm。

为了进一步展示人工规范场设计在大规模集成中的表现，该团队将功能单元连接起来，形成三级级联网络，如图4所示。当光从I₁端口输入时，对于定向耦合功能的弯曲波导网络，不同波长的光都从设定的O₈端口输出；而对于50：50分束样品，则会平均分配到所有8个输出端口。

图4 级联光波导网络中的宽带与鲁棒性对比（实验结果）

然而对于直波导网络，即便在设计的1550 nm处，其表现也不是非常理想，这是因为在大规模集成中其受加工偏差的影响较大。而随着波长的变化，8个输出端口的强度更加混乱。该实验结果清晰地展示了人工规范场设计在大规模、高密度光子集成方面的应用潜力。

04 总结与展望

该团队基于人工规范场概念发展了一种弯曲结构来调控光波导之间耦合色散的方法，该方法可以在保持波导高密度集成的前提下实现耦合系数的零色散，这一特征极大有利于实现宽带、鲁棒性的光子集成器件。他们从实验上实现了光通讯波段工作带宽达160 nm的定向耦合器与分束器，并以此构建了三级级联的光波导集成网络。通过与传统结构对比，该方案清晰展示了它在工作带宽与结构鲁棒性等性能上的显著优势，为大规模高密度光子集体开拓了新途径。

审稿人认为该工作有趣地展示了如何将原先在凝聚态系统中发现的拓扑效应用于提升现有的光子器件的性能上。该论文同时作为Editors’ Suggestion和Featured in Physics在PRL网站首页重点推荐。Physics 杂志以“Curved Light Channels Have Better Coupling”为题发表亮点报道。

通讯作者为南京大学现代工学院李涛教授，第一作者是现代工学院助理研究员宋万鸽博士，合作者包括上海科技大学邹毅教授。该工作得到祝世宁院士的悉心指导。相关技术已经申请中国发明专利并获得授权（专利号：ZL202010690095.X），并已申请英国发明专利（公开号：2602757）。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学登峰人才计划等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.053901 

Physics 亮点报道链接:

https://physics.aps.org/articles/v15/s100

来源：课题组供稿

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编辑 | 方紫璇

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