北京大學信科電子學系彭超副教授課題組在《自然》發(fā)文
報道拓撲保護下單向輻射導模共振態(tài)重要研究進展

單向輻射（unidirectional emission）作為實現(xiàn)大規(guī)模光子集成和光子芯片的關鍵技術之一，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天線等，目前大多通過分布式布拉格光柵反射鏡、金屬反射鏡等鏡面反射實現(xiàn)。然而，片上集成時，反射鏡不僅體積大、結構復雜、加工難度高，還會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鍵問題，北京大學信息科學技術學院電子學系、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室彭超副教授課題組與麻省理工學院物理學系Marin Solja?i?教授、賓夕法尼亞大學物理與天文學系甄博助理教授合作，從拓撲光子學視角提出一種在單層硅基板上不依靠反射鏡而實現(xiàn)定向輻射的新方法。相關研究成果以“Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances（拓撲保護的單向?qū)９舱駪B(tài)觀測）”為題，于4月22日在線發(fā)表于Nature（《自然》，第580卷第467～471頁）。電子學系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現(xiàn)了單向輻射的特殊諧振態(tài)，即單側(cè)輻射導模共振（unidirectional guided-resonance,UGR）態(tài)，在一維光子晶體中通過傾斜側(cè)壁同時破缺結構垂直對稱性和面內(nèi)對稱性，使體系中連續(xù)區(qū)束縛態(tài)所攜帶的整數(shù)拓撲荷分裂為一對半整數(shù)拓撲荷，并在平板上、下兩側(cè)表面產(chǎn)生大小不等的輻射。此時，維持對稱性破缺，通過調(diào)控參數(shù)將一側(cè)表面的成對半整數(shù)拓撲荷重新合并成整數(shù)拓撲荷，形成不依賴鏡面僅朝一個表面輻射能量的UGR態(tài)。研究團隊利用自主發(fā)展的傾斜刻蝕工藝制備樣品，實驗上觀測到非對稱輻射比高達27.7dB；這就意味著超過99.8%的光子能量朝一側(cè)定向輻射，較傳統(tǒng)設計提高了1～2個數(shù)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。該技術有望顯著降低片上光端口的插入損耗，大幅推動高密度光互連和光子芯片技術的發(fā)展。

通過操控拓撲荷演化，實現(xiàn)單向?qū)９舱駪B(tài)

近年來，在國家自然科學基金、教育部納光電子前沿科學中心等支持下，彭超與其合作者在高水平學術期刊相繼發(fā)表非厄米系統(tǒng)費米弧觀測（Science, 359, 1009～1012，并列第一作者，2018年3月）、實空間非阿貝爾規(guī)范場的合成和觀測（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和非厄米物理學的重要研究成果，在輻射光場調(diào)控領域開辟新方向的同時，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。