片上拓撲彩虹器件，納米尺度新進展

近日，暨南大學光子技術研究院研究員丁偉團隊和北京理工大學教授路翠翠團隊、北京大學教授胡小永團隊合作，在片上拓撲彩虹器件研究中取得重要進展，首次在納米尺度的芯片上觀測到顯著的拓撲彩虹效應。相關研究發表于《自然—通訊》。

以光子為信息載體的微納全光器件在光通信、光信息處理、光計算等領域有重要應用。拓撲光子態由于受拓撲數守恒保護，與傳統光子態相比具有魯棒性和抗干擾的優點。頻率作為光的自由度，是傳輸信息的基本載體，多頻率光傳輸是實現大數據信息處理的基礎。為了實現這一目標，可以利用光子晶體合成維度構建出片上多頻率拓撲態微納器件。這類“拓撲彩虹器件”在經歷結構縮放、隨機誤差、材料缺陷或雜質干擾時，只要光子晶體帶隙不閉合，器件性能就不會受影響。

然而，在納米尺度實現片上集成拓撲彩虹器件面臨很大挑戰。一方面，光場分辨率需要極大地突破衍射極限（達到幾十納米量級）才能表征光通訊波段光子晶體單個晶格內的電場分布；另一方面，在同一芯片上制備光子晶體結構、傳輸波導、耦合結構、激發端的過程十分復雜。

在研究工作中，科研人員利用自主開發的散射式近場光學顯微鏡，對合成維度光子晶體拓撲彩虹納米器件的表面電場給出了直接表征。每個光子晶格的電場分布清晰可見，不同頻率下的拓撲態電場最大值出現在不同的晶格位置，在納米尺度芯片上實驗檢驗了顯著的拓撲彩虹效應，并且和仿真計算結果一致。

散射式近場光學表征技術具有兩個顯著優點：一是樣品形貌和光學信號能夠同步測量，可以直接提供光子晶體不同位置處的電場振幅信號；二是使用的原子力顯微鏡探針針尖具有小于20nm的尺寸，能夠深入到單個光子晶體空氣孔中，并且提供極高的空間分辨率。此外，采用波導端面耦合方式提高激發效率，用同一根光纖收集樣品表面近場反射信號，可以同時具有高收集效率和低背景噪聲的優勢。

該論文共同通訊作者之一的丁偉對《中國科學報》表示，在納米尺度下實現片上集成的拓撲彩虹光子器件，建立起拓撲光子學前沿研究與多頻率硅基光子器件工藝的橋梁，為促進拓撲光子學物理概念向光子芯片器件應用的轉化提供了新的思路和實驗技術。

該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省基礎與應用研究基金、中央高校基本科研業務費專項資金等項目的資助。