拓?fù)涔庾訉W(xué)由于具備抑制反向散射損耗、單模、單向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，近年來(lái)被廣泛研究，且被認(rèn)為是可以實(shí)現(xiàn)集成光通信的有前途的平臺(tái)之一。

拓?fù)涞母拍钭钤绫粦?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(rèn)識(shí)到電子能帶可以用整數(shù)拓?fù)洳蛔兞縼?lái)表征。

后來(lái)，拓?fù)浔灰氲焦庾訉W(xué)中，首先實(shí)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?fù)湫?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?fù)浣^緣體因?yàn)榫邆湟自谄蠈?shí)現(xiàn)、損耗小等優(yōu)勢(shì)，可能成為最有應(yīng)用前景的拓?fù)涔庾悠脚_(tái)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?fù)溥吔鐟B(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(zhǎng)下工作的超緊湊的1×2熱光拓?fù)溟_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(zhǎng)度上，拓?fù)溥吔鐟B(tài)的光程比傳統(tǒng)模式的光程大約增加了兩倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的熱調(diào)條件下，拓?fù)洳▽?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?fù)涔忾_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(guó)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?fù)溥吔鐟B(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(zhǎng)度下拓?fù)淠Ｊ降墓獬碳s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(jì)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(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，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(zhǎng)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?fù)洳▽?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?fù)淠Ｊ胶蛡鹘y(tǒng)波導(dǎo)中的TE0模式的Ey場(chǎng)的相位分布。(c)溫度變化為100K時(shí)，傳統(tǒng)模式和拓?fù)淠Ｊ皆诓ㄩL(zhǎng)為 1550 nm時(shí)的相位變化。(d,e)超緊湊拓?fù)錈峁忾_關(guān)的SEM圖和顯微鏡圖。(f) 功分器2的SEM圖。

基于拓?fù)洳▽?dǎo)的高移相效率與對(duì)急轉(zhuǎn)彎魯棒等特性，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種超緊湊的1×2拓?fù)錈峁忾_關(guān)，器件的SEM圖如圖2(d)所示。拓?fù)錈峁忾_關(guān)由兩個(gè)拓?fù)涔Ψ制骱蛢蓚€(gè)對(duì)稱的拓?fù)洳▽?dǎo)移相臂組成。拓?fù)錈峁忾_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(jìn)入功分器2之前的輸入光信號(hào)的相位來(lái)調(diào)控。拓?fù)錈峁忾_關(guān)的顯微鏡圖像如圖2(e)所示。當(dāng)拓?fù)錈峁忾_關(guān)處于“關(guān)閉”時(shí)，光將通過端口1輸出。當(dāng)給拓?fù)湟葡嗥骷訜釙r(shí)，將有π的額外相位變化被加載到拓?fù)湟葡嗥鞯囊粋€(gè)臂上(拓?fù)錈峁忾_關(guān)被“打開”)，光信號(hào)將從端口2輸出，從而實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)的功能。

為了進(jìn)一步展示可調(diào)諧拓?fù)淦骷诠鈧鬏斚到y(tǒng)中的應(yīng)用，研究人員使用拓?fù)溟_關(guān)進(jìn)行了片上高速數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。對(duì)拓?fù)錈峁忾_關(guān)輸入了132-Gb/s PAM-4數(shù)據(jù)，并在兩個(gè)輸出端口進(jìn)行誤碼率測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的開關(guān)的帶寬足夠?qū)挘捎糜?32 Gb/s速率信號(hào)的傳輸和切換，驗(yàn)證了拓?fù)錈峁忾_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?fù)溥吔鐟B(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)渦旋相位可以讓拓?fù)溥吔鐟B(tài)的光程增加，從而使能谷拓?fù)洳▽?dǎo)具備高的移相效率，并基于該原理提出了一種新型的拓?fù)錈峁忾_關(guān)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與已報(bào)道的全介質(zhì)寬帶光開關(guān)相比，拓?fù)錈峁忾_關(guān)的器件尺寸達(dá)到了最小，證明拓?fù)涔庾訉W(xué)在未來(lái)片上集成光子學(xué)的發(fā)展中具有獨(dú)特的應(yīng)用前景。此外，通過測(cè)試拓?fù)涔忾_關(guān)的高速數(shù)據(jù)傳輸性能，驗(yàn)證了拓?fù)淦骷诠鈧鬏斚到y(tǒng)中的穩(wěn)定傳輸性能。該項(xiàng)工作提出的基于拓?fù)湟葡嗥鞯墓忾_關(guān)為拓?fù)溥吔缒Ｊ皆诠馔ㄐ?、集成光電子和光量子信息處理中的?shí)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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