拓撲光子學(xué)由于具備抑制反向散射損耗、單模、單向傳輸?shù)忍攸c，近年來被廣泛研究，且被認為是可以實現(xiàn)集成光通信的有前途的平臺之一。

拓撲的概念最早被應(yīng)用在凝聚態(tài)物理學(xué)中，可以追溯到1980年物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，并由此認識到電子能帶可以用整數(shù)拓撲不變量來表征。

后來，拓撲被引入到光子學(xué)中，首先實現(xiàn)的是量子霍爾系統(tǒng)，它可以構(gòu)造單向傳播并且具有內(nèi)在抗背向散射傳輸?shù)倪吔鐟B(tài)。隨后幾類經(jīng)典的光學(xué)拓撲效應(yīng)也被發(fā)現(xiàn)，如量子霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)、量子能谷霍爾效應(yīng)等。其中，量子能谷霍爾拓撲絕緣體因為具備易在片上實現(xiàn)、損耗小等優(yōu)勢，可能成為最有應(yīng)用前景的拓撲光子平臺之一。

近日，上海交通大學(xué)蘇翼凱教授課題組聯(lián)合中山大學(xué)董建文教授和上海交通大學(xué)袁璐琦副教授，通過研究拓撲邊界態(tài)模式的相移原理，提出了一種基于能谷光子晶體在通信波長下工作的超緊湊的1×2熱光拓撲開關(guān)。受益于能谷光子晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相位渦流，在相同的傳播長度上，拓撲邊界態(tài)的光程比傳統(tǒng)模式的光程大約增加了兩倍。實驗結(jié)果表明，在相同的熱調(diào)條件下，拓撲波導(dǎo)的π相移所用的熱調(diào)功率僅為傳統(tǒng)波導(dǎo)式移相器的0.64倍。

圖1 拓撲光開關(guān)示意圖

該成果發(fā)表在Light: Science & Applications，題為 "Ultracompact topological photonic switch based on valley-vortex-enhanced high-efficiency phase shift"。

上海交通大學(xué)是第一單位，論文的共同一作為上海交大王洪煒博士后和中山大學(xué)博士生湯國靖，通訊作者是上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院蘇翼凱教授、中山大學(xué)董建文教授和上海交通大學(xué)物理學(xué)院袁璐琦副教授。

首先，研究人員研究了能谷光子晶體組成的拓撲邊界態(tài)的相位變化。如圖2(a)和(b)所示，受益于能谷光子晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相位渦旋，在相同的波導(dǎo)長度下拓撲模式的光程約為傳統(tǒng)直波導(dǎo)中模式的光程的兩倍。研究人員基于理論與仿真計算出了能谷邊界態(tài)和傳統(tǒng)模式隨溫度變化的色散關(guān)系。圖2c中的計算結(jié)果表明，當(dāng)波長為1550nm時，在硅的折射率變化相同的情況下（加熱相同的溫度，相同的長度），能谷邊界態(tài)的π相位變化是傳統(tǒng)波導(dǎo)的1.46倍。

圖2 拓撲波導(dǎo)移相的基本原理與應(yīng)用。(a, b)由能谷光子晶體構(gòu)成的拓撲模式和傳統(tǒng)波導(dǎo)中的TE0模式的Ey場的相位分布。(c)溫度變化為100K時，傳統(tǒng)模式和拓撲模式在波長為 1550 nm時的相位變化。(d,e)超緊湊拓撲熱光開關(guān)的SEM圖和顯微鏡圖。(f) 功分器2的SEM圖。

基于拓撲波導(dǎo)的高移相效率與對急轉(zhuǎn)彎魯棒等特性，研究團隊提出了一種超緊湊的1×2拓撲熱光開關(guān)，器件的SEM圖如圖2(d)所示。拓撲熱光開關(guān)由兩個拓撲功分器和兩個對稱的拓撲波導(dǎo)移相臂組成。拓撲熱光開關(guān)的器件面積為 25.66 μm × 28.3 μm。光的輸出可以通過改變進入功分器2之前的輸入光信號的相位來調(diào)控。拓撲熱光開關(guān)的顯微鏡圖像如圖2(e)所示。當(dāng)拓撲熱光開關(guān)處于“關(guān)閉”時，光將通過端口1輸出。當(dāng)給拓撲移相器加熱時，將有π的額外相位變化被加載到拓撲移相器的一個臂上(拓撲熱光開關(guān)被“打開”)，光信號將從端口2輸出，從而實現(xiàn)了光開關(guān)的功能。

為了進一步展示可調(diào)諧拓撲器件在光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，研究人員使用拓撲開關(guān)進行了片上高速數(shù)據(jù)傳輸實驗。對拓撲熱光開關(guān)輸入了132-Gb/s PAM-4數(shù)據(jù)，并在兩個輸出端口進行誤碼率測量。實驗結(jié)果表明所提出的開關(guān)的帶寬足夠?qū)?，可用?32 Gb/s速率信號的傳輸和切換，驗證了拓撲熱光開關(guān)可以用作片上通信的功能器件。

總結(jié)與展望

通過研究基于能谷光子晶體的拓撲邊界態(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)渦旋相位可以讓拓撲邊界態(tài)的光程增加，從而使能谷拓撲波導(dǎo)具備高的移相效率，并基于該原理提出了一種新型的拓撲熱光開關(guān)。

實驗結(jié)果表明，與已報道的全介質(zhì)寬帶光開關(guān)相比，拓撲熱光開關(guān)的器件尺寸達到了最小，證明拓撲光子學(xué)在未來片上集成光子學(xué)的發(fā)展中具有獨特的應(yīng)用前景。此外，通過測試拓撲光開關(guān)的高速數(shù)據(jù)傳輸性能，驗證了拓撲器件在光傳輸系統(tǒng)中的穩(wěn)定傳輸性能。該項工作提出的基于拓撲移相器的光開關(guān)為拓撲邊界模式在光通信、集成光電子和光量子信息處理中的實際應(yīng)用開辟了道路。

| 論文信息 |

Wang, H., Tang, G., He, Y. et al. Ultracompact topological photonic switch based on valley-vortex-enhanced high-efficiency phase shift. Light Sci Appl 11, 292 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00993-4

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