近年来，拓扑光子学研究受到广泛关注。拓扑光学结构具有多自由度物理调控、CMOS工艺兼容等优势，已被运用于多种片上光子器件的鲁棒性设计。以往工作讨论拓扑光学鲁棒性主要关注大角度转弯、局部缺陷等人为引入误差，而当前存在一个亟待回答的共性问题：拓扑光学结构对常见的微纳制备误差的鲁棒性分析，以及对器件性能指标的影响。
该研究成果以“Broadband and fabrication-tolerant 3-dB couplers with topological valley edge modes”为题在线发表在《Light: Science & Applications》。本工作由中山大学完成，董建文教授、何辛涛副教授为通讯作者，汤国靖博士、陈晓东副教授为第一作者。合作单位包括上海交通大学，苏翼凯教授为通讯作者，孙璐副教授为第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委重点项目等资助。
研究背景
近年来，拓扑光子学因其在提升器件鲁棒性方面的能力，已被用于多种片上光子器件的功能演示。在众多拓扑光子系统中，能谷拓扑光子晶体因其物理调控自由度多、易于扩展到片上光子芯片等特点，常常被应用到鲁棒性片上光子器件研究当中。目前，已经在能谷拓扑光子晶体中实现了低损耗大角度转弯片上传输（https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0727），并以此为基础演示了激光器、滤波器、量子干涉、热光开关等多种光子器件原型。上述工作的鲁棒性分析研究，往往只关注大角度转弯、局部缺陷等人为引入误差的抗散射传输，缺乏定量考虑微纳制备中真正常见的误差。因此，亟需厘清拓扑光学原理对实用性光子器件及其关键性能指标的保护机制。
研究创新
图1. 两种3 dB耦合器与分束比光谱示意图；(a)传统3dB定向耦合器仅有单个波长满足严格的 3 dB分束比，易受结构误差的影响而产生波长漂移；(b)拓扑3dB定向耦合器具有宽带的严格3 dB分束比，在不同误差下依然保持大工作带宽，表现出很好的鲁棒性。
图2. 传统耦合器与拓扑耦合器的误差分析与对比。(a)拓扑3dB耦合器中尺寸误差示意图与分束后的出射光斑，不同误差下两个端口光斑的相对强度保持一致；(b) 拓扑3dB耦合器在引入不同误差后的分束比谱线，工作带宽为48 nm；(c)传统3 dB定向耦合器中尺寸误差示意图与分束后出射光斑，不同误差下两个端口光斑的相对强度有明显区别；(d) 拓扑3dB耦合器在引入不同误差后的分束比谱线，工作带宽为0.3nm；(b)与(d)中橙色区域为工作带宽，即±10 nm误差下分束比保持在(3±0.6) dB以内的范围。
总结与展望
Tang, GJ., Chen, XD., Sun, L. et al. Broadband and fabrication-tolerant 3-dB couplers with topological valley edge modes. Light Sci Appl 13, 166 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01512-3
