北大:拓撲保護下實現單向輻射導模共振態—新聞—科學網

2020-12-06 科學網

 

 通過操控拓撲荷演化，實現單向導模共振態。

北京大學信息科學技術學院電子學系、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室副教授彭超課題組與麻省理工學院、賓夕法尼亞大學等學者合作，從拓撲光子學視角提出一種在單層矽基板上不依靠反射鏡而實現定向輻射的新方法。相關研究成果以《拓撲保護的單向導模共振態觀測》為題，4月22日在線發表於《自然》。

單向輻射作為實現大規模光子集成和光子晶片的關鍵技術之一，廣泛應用於高性能光柵耦合器、高能效雷射器及雷射雷達光學天線等，目前大多通過分布式布拉格光柵反射鏡、金屬反射鏡等鏡面反射實現。然而，片上集成時，反射鏡不僅體積大、結構複雜、加工難度高，還會引入額外的損耗和色散。

針對這一集成光子器件研究中亟待解決的關鍵問題，彭超等人從拓撲荷操控出發，在光子晶體平板中實現了單向輻射的特殊諧振態，即單向輻射導模共振態。在一維光子晶體中通過傾斜側壁同時破缺結構垂直對稱性和面內對稱性，使體系中連續區束縛態所攜帶的整數拓撲荷分裂為一對半整數拓撲荷，並在平板上、下兩側表面產生大小不等的輻射。

此時，維持對稱性破缺，通過調控參數將一側表面的成對半整數拓撲荷重新合併成整數拓撲荷，形成不依賴鏡面僅朝一個表面輻射能量的單向輻射導模共振態。聯合課題組利用自主發展的傾斜刻蝕工藝製備樣品，實驗上觀測到非對稱輻射比高達27.7分貝。這就意味著超過99.8%的光子能量朝一側定向輻射，較傳統設計提高了1～2個數量級，從而證明了單向輻射導模共振態的有效性和優越性。該技術有望顯著降低片上光埠的插入損耗，大幅推動高密度光互連和光子晶片技術的發展。

據悉，北京大學電子學系2015級博士研究生尹雪帆為第一作者，彭超為通訊作者。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2181-4

 

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