Light：超紧凑的拓扑光开关

研究背景

拓扑光子学由于具备抑制反向散射损耗、单模、单向传输等特点，近年来被广泛研究，且被认为是可以实现集成光通信的有前途的平台之一。拓扑的概念最早被应用在凝聚态物理学中，可以追溯到1980年物理学家发现量子霍尔效应，并由此认识到电子能带可以用整数拓扑不变量来表征。后来拓扑被引入到光子学中，首先实现的是量子霍尔系统，它可以构造单向传播并且具有内在抗背向散射传输的边界态。随后几类经典的光学拓扑效应也被发现，如量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、量子能谷霍尔效应等。其中，量子能谷霍尔拓扑绝缘体因为具备易在片上实现、损耗小等优势，可能成为最有应用前景的拓扑光子平台之一。

创新研究

近日，上海交通大学苏翼凯教授课题组联合中山大学董建文教授和上海交通大学袁璐琦副教授，通过研究拓扑边界态模式的相移原理，提出了一种基于能谷光子晶体在通信波长下工作的超紧凑的1×2热光拓扑开关。受益于能谷光子晶体结构产生的相位涡流，在相同的传播长度上，拓扑边界态的光程比传统模式的光程大约增加了两倍。实验结果表明，在相同的热调条件下，拓扑波导的π相移所用的热调功率仅为传统波导式移相器的0.64倍。

图1 拓扑光开关示意图

该成果发表在Light: Science & Applications，题为 "Ultracompact topological photonic switch based on valley-vortex-enhanced high-efficiency phase shift"。

首先，研究人员研究了能谷光子晶体组成的拓扑边界态的相位变化。如图2(a)和(b)所示，受益于能谷光子晶体结构产生的相位涡旋，在相同的波导长度下拓扑模式的光程约为传统直波导中模式的光程的两倍。研究人员基于理论与仿真计算出了能谷边界态和传统模式随温度变化的色散关系。图2c中的计算结果表明，当波长为1550nm时，在硅的折射率变化相同的情况下（加热相同的温度，相同的长度），能谷边界态的π相位变化是传统波导的1.46倍。

图2 拓扑波导移相的基本原理与应用。(a, b)由能谷光子晶体构成的拓扑模式和传统波导中的TE0模式的Ey场的相位分布。(c)温度变化为100K时，传统模式和拓扑模式在波长为 1550 nm时的相位变化。(d,e)超紧凑拓扑热光开关的SEM图和显微镜图。(f) 功分器2的SEM图。

基于拓扑波导的高移相效率与对急转弯鲁棒等特性，研究团队提出了一种超紧凑的1×2拓扑热光开关，器件的SEM图如图2(d)所示。拓扑热光开关由两个拓扑功分器和两个对称的拓扑波导移相臂组成。拓扑热光开关的器件面积为 25.66 μm × 28.3 μm。光的输出可以通过改变进入功分器2之前的输入光信号的相位来调控。拓扑热光开关的显微镜图像如图2(e)所示。当拓扑热光开关处于“关闭”时，光将通过端口1输出。当给拓扑移相器加热时，将有π的额外相位变化被加载到拓扑移相器的一个臂上(拓扑热光开关被“打开”)，光信号将从端口2输出，从而实现了光开关的功能。

为了进一步展示可调谐拓扑器件在光传输系统中的应用，研究人员使用拓扑开关进行了片上高速数据传输实验。对拓扑热光开关输入了132-Gb/s PAM-4数据，并在两个输出端口进行误码率测量。实验结果表明所提出的开关的带宽足够宽，可用于132 Gb/s速率信号的传输和切换，验证了拓扑热光开关可以用作片上通信的功能器件。

前景展望

通过研究基于能谷光子晶体的拓扑边界态，研究人员发现涡旋相位可以让拓扑边界态的光程增加，从而使能谷拓扑波导具备高的移相效率，并基于该原理提出了一种新型的拓扑热光开关。实验结果表明，与已报道的全介质宽带光开关相比，拓扑热光开关的器件尺寸达到了最小，证明拓扑光子学在未来片上集成光子学的发展中具有独特的应用前景。此外，通过测试拓扑光开关的高速数据传输性能，验证了拓扑器件在光传输系统中的稳定传输性能。该项工作提出的基于拓扑移相器的光开关为拓扑边界模式在光通信、集成光电子和光量子信息处理中的实际应用开辟了道路。

论文信息

该研究成果以"Ultracompact topological photonic switch based on valley-vortex-enhanced high-efficiency phase shift"为题在线发表在Light: Science & Applications。上海交通大学是第一单位，论文的共同一作为上海交大王洪炜博士后和中山大学博士生汤国靖，通讯作者是上海交通大学电子信息与电气工程学院苏翼凯教授、中山大学董建文教授和上海交通大学物理学院袁璐琦副教授。

Wang, H., Tang, G., He, Y. et al. Ultracompact topological photonic switch based on valley-vortex-enhanced high-efficiency phase shift. Light Sci Appl 11, 292 (2022).

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