物理学院董建文教授研究团队在硅基拓扑光子学方面取得重要进展学术资讯

来源：中山大学

我校物理学院、光电材料与技术国家重点实验室董建文教授研究团队，研制出具有抗散射、大带宽、高精度的硅基能谷光子晶体，并实现了光通信波段拓扑光子路由。该成果以“A silicon-on-insulator slab for topological valley transport”为题，于2019年2月20日在线发表在《自然-通讯》（Nature Communications）。

大数据和下一代通信技术对数据计算、信息处理和传输速度的要求不断提高，新型光信息传输/处理的维度和自由度将成为后摩尔时代的关键技术核心。在传统框架下，不少光传输问题受到根本物理原理制约而无法在集成光电子领域获得实质性突破。长期以来，微纳光子器件中的光波导大角度转弯、制备误差引起的缺陷和无序等，会产生强烈散射损耗，从而影响了光信息的传输性能。人们希望从物理源头出发，能提出新型抗散射机制来获得整体上的高保真光传输性能，这正好与近年兴起的拓扑光子学（Topological Photonics）内涵相吻合。

拓扑学关注的是几何物体在连续形变下保持的全局性质，它只关注物体之间的位置关系而不考虑它们的大小和形状。对于拓扑光学结构而言，空间上缺陷和无序只会引起局部参数空间变化，不影响该空间的全局性质。因此，光子态的性质非常稳定，对微纳制备误差有较高的容忍度。尽管已有丰富的研究，但由于物理原理或材料属性等方面的限制，大多数仍集中在微波宏观尺度，难以直接推广到光波段和微纳光学系统，制约了拓扑光子学与微纳光子学之间的融合发展。

针对这一难题，该研究团队利用能谷-赝自旋耦合原理，在绝缘层硅（SOI，silicon-on-insulator）上制备出能谷光子晶体平板。该拓扑光学结构具有~40nm的特征尺寸，其光子模式（因工作于光锥以下）能够较好地局域在平板内，抑制了平板外损耗。他们制备了直线形、Z形和Ω形等三种拓扑光学通道，测量出高透平顶透射光谱带，证实了近红外波段下拓扑保护的宽带抗散射传输。采用硅微盘技术产生相位涡旋源，无需低温和强磁等极端环境，实现了拓扑界面态的选择性激发，实现了亚微米量级耦合长度的宽带光子路由行为，验证了能谷-赝自旋耦合等拓扑光学原理。

在硅基平台上证实拓扑光子学原理，是目前国际学术前沿的聚焦度较高的领域之一。研究团队过去在拓扑光子学原理方面的工作，多次引起国际同行关注，论文入选ESI高被引。该工作中，他们深入系统地发展出硅基拓扑光学等关键理论，攻克了数十纳米加工工艺等关键技术，率先在硅基光子平台与拓扑光子学之间建立了联系，突破了单一自由度调控的传统框架，提出了硅基中多自由度耦合的多维调控新机制，为微纳光学与光子学、光二极管等关键光子芯片器件、混合集成光子学、高保真光量子信息光学、非线性光学等领域，提供了新方法和新思路。

该研究工作由董建文教授研究团队独立完成（中山大学为唯一署名单位），第一作者为何辛涛特聘副研究员，两名研究生（梁恩涛和袁嘉俊）为共同第一作者。该工作得到教育部青年长江、国家优青基金项目、广东省自然科学基金、广州市科技计划项目，以及光电材料与技术国家重点实验室和物理学院的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08881-z