北大研究人员发表拓扑保护的单向导模共振态观测 为光子器件拓展可期应用前景

单向辐射作为实现大规模光子集成和光子芯片的关键技术之一，广泛应用于高性能光栅耦合器、高能效激光器及激光雷达光学天线等，目前大多通过分布式布拉格光栅反射镜、金属反射镜等镜面反射实现。然而，片上集成时，反射镜不仅体积大、结构复杂、加工难度高，还会引入额外的损耗和色散。

针对这一集成光子器件研究中亟待解决的关键问题，北京大学信息科学技术学院电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授课题组与麻省理工学院物理学系Marin Solja 教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系甄博助理教授合作，从拓扑光子学视角提出一种在单层硅基板上不依靠反射镜而实现定向辐射的新方法。相关研究成果以《拓扑保护的单向导模共振态观测》（Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances）为题，2020年4月22日在线发表于《自然》（Nature，第580卷第467～471页）；电子学系2015级博士研究生尹雪帆为第一作者，彭超为通讯作者。

彭超等人从拓扑荷操控出发，在光子晶体平板中实现了单向辐射的特殊谐振态，即单侧辐射导模共振（unidirectional guided-resonance, UGR）态，在一维光子晶体中通过倾斜侧壁同时破缺结构垂直对称性和面内对称性，使体系中连续区束缚态所携带的整数拓扑荷分裂为一对半整数拓扑荷，并在平板上、下两侧表面产生大小不等的辐射。此时，维持对称性破缺，通过调控参数将一侧表面的成对半整数拓扑荷重新合并成整数拓扑荷，形成不依赖镜面仅朝一个表面辐射能量的UGR态。联合课题组利用自主发展的倾斜刻蚀工艺制备样品，实验上观测到非对称辐射比高达27.7 dB；这就意味着超过99.8%的光子能量朝一侧定向辐射，较传统设计提高了1～2个数量级，从而有力证明了单向辐射导模共振态的有效性和优越性。该技术有望显著降低片上光端口的插入损耗，大幅推动高密度光互连和光子芯片技术的发展。

近年来，在国家自然科学基金、教育部纳光电子前沿科学中心等支持下，彭超与其合作者在高水平学术期刊相继发表非厄米系统费米弧观测（Science, 359, 1009～1012，并列第一作者，2018年3月）、实空间非阿贝尔规范场的合成和观测（Science, 365, 1021～1025，第二作者，2019年9月）、拓扑保护下散射鲁棒的超高品质因子导模共振态（Nature, 574, 501～504，通讯作者，2019年10月）等一系列融合拓扑物理学和非厄米物理学的重要研究成果，在为实现辐射光场调控开辟新方向的同时，也为集成光子芯片、光相控阵雷达、低功耗激光器等光子器件拓展了可期的应用前景。