北京理工大学在拓扑微纳光子器件领域取得重要进展

半导体产业网获悉：近日，北京理工大学物理学院路翠翠教授等人，提出利用光子晶体晶格平移和旋转等方式构建多频率合成维度拓扑态的方法，实现了芯片上拓扑彩虹纳米光子器件，研究成果发表在Nature Communications上。

以光子为信息载体的微纳全光器件在光通信、光信息处理、光计算等领域有着重要应用，是实现下一代光子芯片的核心元器件。器件尺寸越小，越有利于集成，然而，越小的器件性能受结构参数误差影响通常越大。拓扑光子态由于受到拓扑保护，与传统的光子态相比，具有鲁棒性和抗干扰等优点，因此拓扑态为微纳全光器件的实现提供了新平台。频率作为光子的自由度，是传输信息的基本载体，因此多频率传输是实现大数据信息处理的关键。已有的拓扑光子学报道几乎都是针对特定能带和特定频段进行研究，例如单向传输、高阶拓扑、拓扑激光等，而在同一个结构中实现多频率拓扑态的微纳器件面临困难。

北京理工大学物理学院路翠翠等人提出基于晶格平移和旋转的光子晶体合成维度方法，用于构建片上集成的多频率拓扑微纳光子器件，开辟了拓扑彩虹微纳光子器件的研究方向。受Applied Physics Letters主编邀请，撰写了“Perspective on the topological rainbow”的观点展望文章（Sayed Elshahat, Chenyang Wang, Hongyu Zhang, Cuicui Lu,* Appl. Phys. Lett. 119, 230505, 2021）。由于器件受到拓扑保护，在经历结构缩放、随机误差、材料缺陷或杂质干扰等情况时，只要光子晶体带隙不闭合，这类基于合成维度的拓扑彩虹微纳器件性能不受破坏而稳定存在。

图1 （a）样品电镜图；（b）样品测试示意图；（c）散射式近场光学显微镜实验装置图。

通过发展近场光学显微镜技术，对合成维度光子晶体拓扑彩虹纳米器件的表面电场给出了直接表征，每个光子晶格的电场分布清晰可见，不同频率下的拓扑态电场最大值出现在不同的晶格位置，在纳米尺度芯片上实现了显著的拓扑彩虹效应。发展的无孔散射式近场光学表征技术具有显著优点：样品的形貌和光学信号能够同步测量，因此可以直接提供光子晶体不同位置的电场振幅信号；无孔的原子力显微镜（AFM）探针由于其针尖只有20 nm尺寸，因此能够深入到单个光子晶体空气孔中，具有极高的分辨率。此外采用波导端面耦合激发方式提高激发效率，利用光纤收集样品表面光纤信号同时具有高收集效率和低背景噪声等优势。这也是在纳米尺度上第一个片上集成的拓扑彩虹光子器件，建立了拓扑光子学前沿研究与硅基光子学成熟工艺的桥梁，为促进拓扑光子学物理概念向光子芯片器件应用的转化提供了思路和机会。