北大研究人員發(fā)表拓撲保護下單向輻射導模共振態(tài)重要研究進(jìn)展 為光子器件拓展可期應用前景

單向輻射作為實(shí)現大規模光子集成和光子芯片的關(guān)鍵技術(shù)之一，廣泛應用于高性能光柵耦合器、高能效激光器及激光雷達光學(xué)天線(xiàn)等，目前大多通過(guò)分布式布拉格光柵反射鏡、金屬反射鏡等鏡面反射實(shí)現。然而，片上集成時(shí)，反射鏡不僅體積大、結構復雜、加工難度高，還會(huì )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(guān)鍵問(wèn)題，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、區域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室彭超副教授課題組與麻省理工學(xué)院物理學(xué)系Marin Solja?i?教授、賓夕法尼亞大學(xué)物理與天文學(xué)系甄博助理教授合作，從拓撲光子學(xué)視角提出一種在單層硅基板上不依靠反射鏡而實(shí)現定向輻射的新方法。相關(guān)研究成果以《拓撲保護的單向導模共振態(tài)觀(guān)測》（Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances）為題，2020年4月22日在線(xiàn)發(fā)表于《自然》（Nature，第580卷第467～471頁(yè)）；電子學(xué)系2015級博士研究生尹雪帆為第一作者，彭超為通訊作者。

彭超等人從拓撲荷操控出發(fā)，在光子晶體平板中實(shí)現了單向輻射的特殊諧振態(tài)，即單側輻射導模共振（unidirectional guided-resonance, UGR）態(tài)，在一維光子晶體中通過(guò)傾斜側壁同時(shí)破缺結構垂直對稱(chēng)性和面內對稱(chēng)性，使體系中連續區束縛態(tài)所攜帶的整數拓撲荷分裂為一對半整數拓撲荷，并在平板上、下兩側表面產(chǎn)生大小不等的輻射。此時(shí)，維持對稱(chēng)性破缺，通過(guò)調控參數將一側表面的成對半整數拓撲荷重新合并成整數拓撲荷，形成不依賴(lài)鏡面僅朝一個(gè)表面輻射能量的UGR態(tài)。聯(lián)合課題組利用自主發(fā)展的傾斜刻蝕工藝制備樣品，實(shí)驗上觀(guān)測到非對稱(chēng)輻射比高達27.7 dB；這就意味著(zhù)超過(guò)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(gè)數量級，從而有力證明了單向輻射導模共振態(tài)的有效性和優(yōu)越性。該技術(shù)有望顯著(zhù)降低片上光端口的插入損耗，大幅推動(dòng)高密度光互連和光子芯片技術(shù)的發(fā)展。

近年來(lái)，在國家自然科學(xué)基金、教育部納光電子前沿科學(xué)中心等支持下，彭超與其合作者在高水平學(xué)術(shù)期刊相繼發(fā)表非厄米系統費米弧觀(guān)測（Science, 359, 1009～1012，并列第一作者，2018年3月）、實(shí)空間非阿貝爾規范場(chǎng)的合成和觀(guān)測（Science, 365, 1021～1025，第二作者，2019年9月）、拓撲保護下散射魯棒的超高品質(zhì)因子導模共振態(tài)（Nature, 574, 501～504，通訊作者，2019年10月）等一系列融合拓撲物理學(xué)和非厄米物理學(xué)的重要研究成果，在為實(shí)現輻射光場(chǎng)調控開(kāi)辟新方向的同時(shí)，也為集成光子芯片、光相控陣雷達、低功耗激光器等光子器件拓展了可期的應用前景。