中山大学董建文教授课题组发表重要长文综述：拓扑光子晶体：物理、设计与应用

撰稿|由课题组供稿

超构光学是研究具有亚波长尺寸单元的人工结构并按需得到预想光学/电磁功能的光学学科方向。作为超构光学的一个重要分支，拓扑光学经过多年发展，除了发现更多深层次物理问题以外，更从原理上提出光场调控新自由度，为降低能量损耗、提升工艺鲁棒性等集成光子器件领域中的重要挑战提供新方法新应用。

近日，中山大学物理学院、光电材料与技术国家重点实验室董建文教授课题组结合最新研究成果，系统而全面地总结了拓扑光子晶体物理与应用的发展历程，并初步展望了该领域的未来方向。相关成果以题为“Topological photonic crystal: physics, designs and applications”，于2022年2月15日在光学领域高水平期刊、中科院物理一区杂志Laser & Photonics Reviews上发表长文综述。

随着通信技术的不断发展，光互联从远距离信息传输，逐渐走向芯片互联互通。但是片上光互连的发展仍然受到一系列关键问题的制约，限制了片上光子器件间的高效信息传输。近年来兴起的拓扑光学能够从原理上保证光信号的抗散射传输，有望解决上述问题。

拓扑光学是超构光学与拓扑物理交叉融合的新领域。拓扑光子晶体作为一类可用于片上抗散射传输的光学人工材料，具有结构紧凑、正向设计简单等特点。目前，人们已经实现了多种片上集成光子器件，如具有低散射损耗的光波导、滤波器、分束器、激光器等。拓扑光子晶体为鲁棒性集成光子器件的全片上集成应用提供了新思路，对推动片上光互连的发展起到重要积极作用。

拓扑光子晶体的概念与物理

按照拓扑光子晶体周期性延拓的维度，人们一般将其分为一维、二维和三维。一维拓扑光子晶体的光学属性由扎克相位描述，在扎克相位为0和π的两种一维结构界面处存在界面态，其鲁棒性体现在界面态的确定性存在。二维拓扑光子晶体具有更加丰富的光场调控能力且可在片上集成，一般分为三大类，即量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、量子能谷霍尔效应在光学中的类比，三者的拓扑属性分别由陈数、自旋陈数与能谷陈数等描述，在拓扑属性不同的二维结构界面处存在拓扑保护的边界态，其鲁棒性体现在传输过程的单向性与抗散射能力。三维拓扑光子晶体具有更加复杂的光学性质，类型更加多样，其主要可分为无带隙三维拓扑光子晶体与三维光学拓扑绝缘体。由于三维拓扑光子晶体具有不同类型的拓扑属性，需要用不同的拓扑不变量描述，例如外尔点体系中用拓扑荷以描述外尔点的拓扑属性。

图1 能谷霍尔相光子晶体的（a, b）理论提出与实验上在（c, d）微波波段、（e, f）近红外波段与（g）太赫兹波段的实现。

随着研究的深入发展，拓扑光子晶体逐渐突破按照实际空间维度的分类，出现了高阶拓扑、合成维度、等效规范场以及连续域束缚态等其他拓扑光学新概念。过去，拓扑光学结构一般只考虑比自身维度低一个维数的界面态，例如一维结构支持零维界面态、二维结构支持一维边界态等。高阶拓扑光子晶体则研究比自身低两个甚至三个维数的拓扑保护模式，例如可以构造零维的拓扑光子角态。另一方面，合成维度光子晶体突破了实际空间维度的限制，将频率、位移量等物理量视为新的维度。进而，人们可以用低维度的结构来研究更高维度的拓扑光学现象。等效规范场光子晶体利用结构参数在时间或空间上的规律变化产生等效规范场来代替磁场，使得一些原本需要磁场的现象，在没有磁场时也可以等效地实现。连续域束缚态中的拓扑光学研究则将目光从面内传输转向面外辐射，为光子晶体平板面外辐射的抑制提供了新思路，运用拓扑荷概念与方法，实现包括非对称辐射、涡旋光激发等复杂光场调控行为。

拓扑光子晶体的应用

近年来对拓扑光子晶体的研究已经逐渐从物理原理与实验实现向光子器件的功能演示发展。按照在应用场景中是否需要主动调控或引入增益、损耗，拓扑光子晶体的应用可分为被动和主动两大类。在被动器件应用方面，拓扑鲁棒性可以实现抗散射传输，且不同种类拓扑光波导可抑制背向散射的缺陷类型有所差异。此外，研究者还完成了光学谐振器、滤波器、分束器、环形器、波分复用器以及波前调制器等多种光子器件的功能演示。在主动器件应用方面，拓扑激光近年来备受关注，相继实现了基于拓扑边界态的环形腔激光器、基于拓扑界面态与高阶角态的微腔激光器、基于多种拓扑辐射模式的垂直发射激光器等。基于拓扑保护模式的激光在激射频率稳定性、光束发散角等多个性能指标上优于相同条件下拓扑平庸结构中的激光。

同时，拓扑光子晶体还被应用于非厄米光学、非线性光学、量子光学等领域，以在量子光学领域的应用为例，研究者们利用拓扑光子器件实现了拓扑保护量子态的产生、传输与调控。当光学系统出现某些结构扰动时，与拓扑平庸的情况相比，拓扑保护量子态具有更强的鲁棒性，能提高量子态的稳定性。另外，在产生量子态的过程中往往需要用到非线性光学效应，非线性光学还广泛应用于光开关、激光器等光子器件中，拓扑光学系统中的非线性光学效应也引起研究者们的关注。多学科的交叉有望使不同的研究方向之间优势互补，在利用拓扑光子晶体为多个领域提供研究平台的同时，进一步发现拓扑光子晶体中的新原理与新应用。

图2 拓扑光子晶体应用于（a, b）非厄密光学系统、（c, d）光开关、（e）非线性光学系统与（f）量子光学系统。

光子晶体为探究拓扑光学新现象提供了很好研究平台，例如应用于非厄米拓扑光学的研究。在实际的光学系统中能量的耗散通常无法避免，非厄米与拓扑光学结合有望激发研究者探索全新的物理现象与接近实际场景的应用。随着越来越多拓扑光子器件的实现，工作在光学波段、具有全介质结构且片上集成的拓扑光子器件，将有望应用于片上光互连等系统中。与此同时，拓扑光子晶体的实用化之路也面临着诸多挑战，例如插入损耗和面外辐射带来的损耗，拓扑光学原理与实用性能指标的不匹配，如何解决与现有工艺兼容的动态可调器件等问题，都有待于研究者进一步探究与解决。 

该论文完成单位是中山大学。物理学院博士生汤国靖、研究员何辛涛为共同第一作者，陈晓东副教授、董建文教授为共同通讯作者。上述工作得到了国家基金重点项目、科技部重点研发项目、广东省基金重大培育项目、广州市科技计划重点项目、以及所在单位的大力支持。

https://doi.org/10.1002/lpor.202100300

中山大学超构光学团队围绕微纳光场调控，深耕于超构光学领域理论与实验研究，在国际上较早地开展拓扑光学领域研究，形成了拓扑光学与光量子器件、超表面像素阵列与光学传感成像等特色研究。依托中山大学，团队PI董建文教授荣获2020年度教育部青年科学奖，入选2016年青年长江、2015年国家优青。主持国家基金委重点，国家重点研发等项目。发表学术论文120篇，含Nature Materials/Communications、Physical Review Letters等10篇，PR系列 20 篇。发表含Laser & Photonics Reviews长文综述等6篇。成果中6篇入选ESI高被引论文，获2017年中国光学十大进展。