导读
北京大学电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授课题组，与麻省理工学院物理学系Marin Soljačić教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系甄博助理教授合作，从拓扑光子学视角提出一种在单层硅基板上不依靠反射镜实现定向辐射的新方法。这一技术应用有望显著降低片上光端口的插入损耗，大幅推动高密度光互连和光子芯片技术的发展。相关研究成果以“Observation of Topologically Enabled Unidirectional Guided Resonances”为题，于2020年4月22日在线发表于Nature。
单向辐射作为实现大规模光子集成和光子芯片的关键技术之一，广泛应用于高性能光栅耦合器、高能效激光器及激光雷达光学天线等光子器件中。目前定向辐射大多通过分布式布拉格光栅反射镜、金属反射镜等镜面反射实现。然而，片上集成时，反射镜不仅体积大、结构复杂、加工难度高，还会引入额外的损耗和色散。因此，如何在不依靠反射镜的情况下实现定向辐射，是光子器件乃至光子集成研究亟需解决的问题。
近年来，拓扑方法被应用于光子学研究，催生出拓扑光子学这一光子学新兴分支，为理解和调控光子行为提供了新思路。从拓扑光子学视角看来，辐射完全抑止的连续区束缚态（Bound states in continuum，BIC）本质上是动量空间中光子偏振矢量场的拓扑缺陷，可用整数拓扑荷来描述。研究动量空间中拓扑荷的操控，为调控光子辐射实现定向辐射，发展新型光子器件开拓了思路。
为了在光子晶体平板上实现定向辐射，联合研究团队提出了拓扑荷分裂再合并机制。在一维光子晶体中，通过倾斜侧壁同时破缺结构垂直对称性和面内对称性，使体系中BIC态携带的整数拓扑荷分裂为一对由圆偏振态携带的半整数拓扑荷，并在平板上下两侧表面产生大小不等的辐射。这时维持对称性破缺，调控参数将一侧表面的成对半整数拓扑荷重新合并成整数拓扑荷，即形成不依赖镜面仅朝一个表面辐射能量的单向辐射导模共振态（Unidirectional guided resonances, UGRs），如图1所示。
实验中，联合课题组利用自主发展的倾斜刻蚀工艺制备了光子晶体样品，并搭建了近远场共焦测试系统，同时对光子晶体平板上下表面辐射进行了测量，实验上观测到了高达1.6e5的单面品质因子，即27.7 dB的非对称辐射比，如图2所示。这意味着超过99.8%的光子能量都朝一侧定向辐射。该结果相比传统设计高出1~2个数量级，证明了单向导模共振态在实现定向辐射上的有效性和优越性。
进一步地，联合研究课题组通过测量下表面辐射光场的偏振态重构了偏振矢量场，这样直接定位了半整数荷在动量空间的位置，并研究了参数调节过程中半整数拓扑荷的演化轨迹。实验成功观测到了半整数拓扑荷合并现象，如图3所示，进一步验证了UGR态的拓扑本质。
本工作融合拓扑光子学、非厄米光子学，是将拓扑光子学原理用于实际光子器件设计的一个研究范例，这为光学系统中其他新奇拓扑现象及应用研究提供了借鉴。同时，本工作也为实现光子辐射调控开拓了新方向，在集成光子技术、光相控阵雷达、低功耗激光器等领域具有重要应用前景。
论文的第一作者是北京大学尹雪帆博士。该项研究得到了中国国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目（No.61922004）和教育部纳光电子前沿科学中心支持。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2181-4%20
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