导读
光子拓扑绝缘体 （Photonic topological insulators）是一种新型光学结构材料，其在拓扑相变换边界上稳定的单向导波模式可使光的传输免受结构缺陷导致的反射和损耗，因此在光通信和信息处理等领域中有重要前景。然而，由于拓扑边界传输需要以浪费大量内部结构面积为代价，以及难以实现光波段拓扑相位变换的动态控制等难题，光子拓扑绝缘体尚未在实际集成光学器件（如光开关、路由、功分器等）中得到广泛应用。近日，宾夕法尼亚大学冯亮教授课题组提出并实现了非厄米（non-Hermitian）光子拓扑绝缘体，首次在光频段实现了一种在同一拓扑相位结构内部可重构的手性拓扑传输。该研究成果以“Non-Hermitian topological light steering”为题在国际权威学术期刊《科学》上发表。
在原理上，不同于一般重构厄米性拓扑相位变换边界的方式，研究人员首次提出通过动态控制光学拓扑绝缘结构中增益和损耗的分布，在拓扑结构内部形成非厄米拓扑区域边界（图一）。他们发现当边界两侧增益损耗之差超过奇异点（Exceptional point, EP 表征为本征态和本征值同时简并）时，一种全新的单向拓扑传输模式出现在增益区域的边界，而非几何结构边界，从而首次在同一拓扑相位结构内部成功建立光的拓扑导波通道。因此，通过投影空间非厄米（增益或损耗）分布的方式，可在整片光子拓扑绝缘体内部延所需路径传输光信号到任意输出端口。
在实验中，研究人员使用InGaAsP量子阱半导体材料实现光子拓扑耦合环形腔阵列的基本结构。因为该材料在被泵浦时呈现增益状态，而在无泵浦时呈现高损耗状态，所需非厄米拓扑区域边界可自由且便利地由光泵浦源成像实现（图二）。通过改变泵浦光源的图样，他们验证了可重构的拓扑光信号传输，以及这种光传输在存在缺陷时的稳定性。同时，由于各环形腔的增益特性，不仅传输路径可置于结构内部，该光子拓扑结构中内部所有的谐振腔都可作为光信号的输入/输出端口，因而可充分利用整体结构面积形成高数据容量的数据传输。
该研究提出的非厄米可重构拓扑绝缘体为多输入/输出端口的集成光开关等器件提供了一种颠覆性的方案，使稳定、高效的集成光路系统成为可能。该研究成果有望在5G和未来的6G高数据容量通讯网络中取得广泛的应用。
图1：可重构非厄米光子拓扑绝缘体的示意图（图片来源：Science Non-Hermitian topological light steering）。
图2：非厄米光子拓扑绝缘体的实现（图片来源：Science Non-Hermitian topological light steering）。
文章链接
DOI: 10.1126/science.aay1064
https://science.sciencemag.org/content/365/6458/1163
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