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近日，暨南大學光子技術(shù)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(guān)研究發(fā)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(lǐng)域有重要應用。拓撲光子態(tài)由于受拓撲數(shù)守恒保護，與傳統(tǒng)光子態(tài)相比具有魯棒性和抗干擾的優(yōu)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(xiàn)大數(shù)據(jù)信息處理的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)這一目標，可以利用光子晶體合成維度構(gòu)建出片上多頻率拓撲態(tài)微納器件。這類“拓撲彩虹器件”在經(jīng)歷結(jié)構(gòu)縮放、隨機誤差、材料缺陷或雜質(zhì)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(xiàn)片上集成拓撲彩虹器件面臨很大挑戰(zhàn)。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(nèi)的電場分布；另一方面，在同一芯片上制備光子晶體結(jié)構(gòu)、傳輸波導、耦合結(jié)構(gòu)、激發(fā)端的過程十分復雜。

在研究工作中，科研人員利用自主開發(fā)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(tài)電場最大值出現(xiàn)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(jié)果一致。

散射式近場光學表征技術(shù)具有兩個顯著優(yōu)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(fā)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(yōu)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(xiàn)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(zhuǎn)化提供了新的思路和實驗技術(shù)。

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

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30276-w

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