近日，南京大學現代工學院李濤教授研究組與哈爾濱工業大學（深圳）的肖淑敏教授研究組合作報道了他們在拓撲光子學領域的最新進展。他們設計並加工了具有拓撲特性的一維硅波導陣列，利用拓撲零模之間的耦合效應，成功實現了穩健性的光定向耦合器與分束器功能，而且表現出很寬的工作帶寬。成果以 “Robust and broadband optical coupling by topological waveguide arrays” 為題發表於國際光學領域重要期刊《Laser & Photonics Reviews》，並被選為當期inside cover。南京大學為第一單位，南京大學現代工學院16級直博生宋萬鴿與哈工大（深圳）的博士生孫文釗為該論文的共同第一作者，南京大學的李濤教授和哈工大（深圳）的肖淑敏教授為論文的通訊作者。
集成光學中大都數光信號的傳輸與處理需要通過波導之間耦合來實現，而波導間是通過倏逝場進行耦合，對波導結構和間距極為敏感。這對光子集成器件的加工精度提出了極高的要求，也是長期以來制約大規模光子集成的一個重要因素。雖然，目前有多種技術可以進行器件結構偏差的修正與補償，但都需要付出能耗或者調控複雜度上的代價。而近年來興起的拓撲光學設計，已經展示出多種穩健性的光子傳輸特性，非常有希望應用於波導耦合的光子集成上。
南京大學與哈工大（深圳）研究團隊在先前的工作中（Phys. Rev. Lett. 123, 165701 (2019)）就已經關注到有限體系的拓撲光學波導陣列中，拓撲邊界態之間的耦合效應會使得零模產生一定的偏移。他們通過引入非厄米調控實現了嚴格零模的恢復。本工作中，研究團隊則利用了拓撲邊界態之間耦合效應，通過光場在波導陣列的邊界之間的轉換，實現了定向耦合及分束的功能。由於這種耦合導致較小偏移的零模仍然處於光子帶隙中，由整體結構擾動或偏差帶來能帶的變化不會給偏移零模帶來很大影響，因而這種耦合及分束功能受到拓撲保護，具有很好的穩健性和寬帶工作特性。
本工作首先通過Su-Schriffer-Heeger (SSH) 模型構造光波導陣列，理論上詳細研究了有限尺度的拓撲體系由於拓撲邊界態之間相互靠近而產生的耦合效應（圖1），而這種效應可以被用來實現光學耦合功能（包括定向耦合及分束）。論文首先從光子能帶結構上證明了這種耦合功能在一定程度上不受耦合係數變化的影響，表現出穩健特性（圖2），然後通過人為引入一些結構上的偏差和無序，進行了基於硅波導的詳細的模擬和實驗驗證（圖3和圖4）。詳細的理論模擬和實驗數據都表明這種基於拓撲設計的耦合器件較之於傳統器件表現出明顯的穩健性（波導間隙發生21-26%的結構偏差都不受影響）。更有趣的是，這種耦合效應呈現出寬帶特性（~100 nm）（圖5），這對於拓寬光子集成帶寬也是非常有利的。
該研究表明多個拓撲態耦合效應可以為光學設計提供更多的自由度，拓展了拓撲光學設計應用於集成光學器件的新思路。更為重要的是，該研究為解決當前光子集成加工的容錯性問題和工作帶寬問題提供了新的解決方案，並且與當前的製造工藝具有良好的兼容性，有望應用與大規模光子集成中。
該項研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、南京大學登峰人才計劃等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.201900193。
圖一、拓撲波導陣列的設計。（a）一維SSH模型的拓撲平庸結構示意圖；拓撲非平庸結構實現的（b）定向耦合（DC）和（c）分束功能（BS）的結構示意圖；（d-f）三種結構相應的能帶結構；（g-i）相應的本徵模式分佈。
圖二、 擾動對拓撲能帶結構的影響。（a-c）不同參數下拓撲DC中邊界態的傳播常數隨外界擾動強度的變化；（d-f）拓撲BS相應的結果。
圖三 基於硅波導器件的模擬結果。（a）硅波導陣列的拓撲定向耦合器和分束器結構示意圖，以及（b）傳統的定向耦合器和分束器的結構示意圖。 在（c）拓撲定向耦合器，（d）傳統定向耦合器，（e）拓撲分束器和（f）傳統分束器中引入結構偏差的情況下模擬的光場傳播情況。
圖四、（左）實驗加工的拓撲結構的（a）定向耦合器與（b）分束器SEM圖，以及相關的細節結構。（右）實驗測試結果（a,b）耦合比隨結構偏差度（η）的變化；（c-f）實驗上拍攝的輸出信號，（c）拓撲定向耦合器；（d）拓撲分束器；（e）傳統定向耦合其；（f）傳統分束；比例尺= 20μm。
圖五、耦合帶寬測試實驗結果。（a）耦合比隨波長的變化；（b）實驗上拍攝的輸出信號；比例尺= 40μm。
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