Advanced Materials背靠背发表：实现主动超耦合拓扑腔及其非互易性

继提出“超耦合”拓扑光芯片架构后（https://mp.weixin.qq.com/s/ukBFKcg7Pc5jzt25ljl8dA），新加坡南洋理工大学Ranjan Singh教授团队继续发表了两篇相关的研究报道，重点汇报了超远距离激发拓扑环形谐振腔及其主动控制，以及利用磁光效应实现了高效的片上拓扑太赫兹波隔离器。相关成果在《Advanced Materials》上背靠背发表，分别题为《片上主动超耦合拓扑腔》（On-chip active supercoupled topological cavity），和《片上主动非互易光子学》(On-chip active non-reciprocal photonics)，其第一作者均为南洋理工大学数理学院博士生贾日东，通讯作者为Ranjan Singh教授。

倏逝耦合是片上光学谐振腔最常见的激发方式，其波导和谐振腔之间的间距通常受限于亚波长尺度，使得耦合状态对设计和加工误差极其敏感。谷光子晶体中的超耦合机制可以显著拓展该激发距离，主要归因于耦合区域中的谷动量守恒以及由此形成的谷涡旋阵列。研究人员据此设计实验验证了三个波长外超远激发的片上拓扑腔，系统分析了其超耦合状态，包括欠耦合，过耦合，以及尤为关键的临界超耦合。在该状态下，远距波导可以最大程度地将能量注入拓扑腔。文章还通过改变激发波导的形状以及引入光热控制，动态地分析不同耦合状态间的演化过程，讨论了其作为太赫兹片上器件的可控性，鲁棒性与集成潜力。

图一：超远距离激发的片上超耦合拓扑谐振腔及其耦合状态

更进一步，利用该硅基超耦合腔结构，研究人设计了高效的片上拓扑光隔离器。通过将磁光材料锑化铟和硅片叠加，谷光子晶体的时间反演对称性也在外加磁场的作用下被打破，结合其本身的空间反演对称性的破缺共同实现了非互易、且受拓扑保护的波导模式。不同于用磁光材料构建的量子霍尔拓扑光子晶体，这种集成方式提供了更大的调控自由度，能够灵活调整非互易响应并优化材料引入的损耗。实验上，通过机械调节锑化铟晶体在拓扑芯片上的相对位置，文章展示了高达64.3 dB的隔离度，仅2.6 dB的低损耗，及其多样的非互易效果。再利用光控方法，隔离度可实现几乎任意水平的动态调节。

图二：高隔离度、低损耗的太赫兹拓扑隔离器

                              供稿：课题组

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