Laser Photonics Rev.:硅光子晶体纳腔拓扑阵列非线性谐波的巨大增强- 大数跨境

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Laser Photonics Rev.:硅光子晶体纳腔拓扑阵列非线性谐波的巨大增强

两江科技评论

2022-02-19

导读：近日，西北工业大学赵建林教授、甘雪涛教授课题组与南开大学陈志刚教授合作，提出了在硅光子晶体纳腔构成的一维拓扑非平庸Su-Schrieffer-Heeger（SSH）阵列中通过拓扑边界模式驱动硅三次谐波

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，西北工业大学赵建林教授、甘雪涛教授课题组与南开大学陈志刚教授合作，提出了在硅光子晶体纳腔（Photonic crystal nanocavity，PCNC）构成的一维拓扑非平庸Su-Schrieffer-Heeger（SSH）阵列中通过拓扑边界模式驱动硅三次谐波（THG）的实验方案。相较于单个PCNC，SSH阵列的边界模式不仅完全继承了PCNC共振模式的光学特性，而且展现出独特的拓扑保护特性。因此，在SSH阵列边界模式驱动下实现了明显的THG，其与单个PCNC的THG保持基本相同强度，均比拓扑平庸SSH阵列的THG强约3个数量级。

研究背景

拓扑光子学是融合了凝聚态物理中拓扑物理概念后独特的光子学研究方向。处于不同拓扑不变量的光学体系之间存在边界态。该边界态具备拓扑保护特性，对于光传输过程中局部的结构微扰具有强免疫效果，极大地促进了光子器件稳定性的提高。引入非线性效应后，其他多种新颖的拓扑光学现象及器件功能（如：非线性诱导的拓扑相变、拓扑禁带孤子、单光子源等）得到了迅速发展。在非线性拓扑光子学研究领域中，非线性谐波产生是一个重要的研究分支，例如2019年澳大利亚国立大学的Kuri教授课题组通过拓扑边界模式驱动的THG显著提高了纳米结构边界的分辨效果。

创新研究

拓扑光子学有多种类型的结构模型，如Haldane-Raghu模型、Kane-Mele模型等。本工作选择一维SSH模型进行器件设计。一维SSH模型主要包括两个组成要素，分别是单元结构以及单元结构之间交替大小的耦合因子。实验中，单元结构选用硅PCNC，作为典型的光学纳腔结构，其能够支持具有高品质因子的共振模式。高品质因子意味着光子在纳腔中具有较长的寿命，能够实现光与物质的强相互作用，利于实现非线性光学效应。多个硅PCNCs依次以一排和三排的空气孔间隔构成一维SSH阵列，较小的内耦合因子和较大的外耦合因子（γ₁<γ₂）决定该阵列处于拓扑非平庸态，支持拓扑边界模式（M₁'和M₂'）。通过多个器件的测试发现，M₁'具有较高的品质因子（457±7），更利于谐波的产生。最终，在皮秒脉冲光源输出波长为M₁'共振波长的激发下，在光栅光谱仪以及CCD成像系统中均探测到明显的THG。并且通过调节激发光的波长及位置，验证THG源自边界模式M₁'的驱动。由于边界模式继承了PCNC的共振特性，拓扑非平庸阵列的THG与单个硅PCNC的THG保持基本相同的强度，均比拓扑平庸阵列THG强约3个数量级。

该工作为硅光子芯片中拓扑驱动的非线性效应的实现提供了一种简单的设计方案，有望拓展并推动具有鲁棒性的可见光波段光源等的应用前景。

图1 (a)9个PCNCs以强弱交替的耦合因子（γ₁<γ₂）构成的SSH阵列中拓扑边界模式驱动THG的示意图；(b)阵列沿x方向中心线的散射光谱分布；(c)THG的光谱图及CCD成像图；(d)单个PCNC、拓扑非平庸SSH阵列和拓扑平庸SSH阵列三者THG的对比结果.

论文信息

该研究成果以"Giant Enhancement of Nonlinear Harmonic Generation in a Silicon Topological Photonic Crystal Nanocavity Chain"为题在线发表在Laser & Photonics Reviews。

西北工业大学大学博士生元晴晨为文章的第一作者，通讯作者为赵建林教授和甘雪涛教授，合作者为南开大学陈志刚教授。