北理工在納米光子學和拓撲光子學取得重要進展
發布日期：2020-07-03 供稿：物理學院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院路翠翠副研究員與北京大學胡小永教授合作，實現了國際上尺寸最小的基于智能算法的偏振路由器件，以封面形式發表在光學領域知名期刊《Advanced Optical Materials》上。首次揭示了二維諧振環陣列產生拓撲相變內在條件，并給出了由耦合強度與增益損耗量共同決定的解析關系，研究成果發表在物理學領域頂級期刊Physical Review Letters上。此外，他們受光學領域頂級期刊Advances in Optics and Photonics編輯邀請，撰寫綜述文章，也是我校首次在該頂級期刊發文。
以光子為信息載體的集成納米光子器件在光通信、高性能計算、光互聯等領域有著廣泛的應用。偏振路由納米器件是片上光子集成器件的重要組成部分，能夠將入射的不同偏振光分離并引導到不同的輸出端口。偏振路由納米器件典型的傳統實現結構包括光柵、光波導、光子晶體、金屬表面等離激元模式、超構材料等。這些結構難以同時實現尺寸超小、大帶寬、高透過率和低損耗的高性能偏振路由納米器件；并且在設計過程在結構參數優化需要大量的計算資源和較長的時間，優化過程受已有結構類型和物理原理限制器件性能存在嚴重的局限性。
北京理工大學物理學院路翠翠副研究員等人將遺傳算法和有限元法結合，發展出對不同結構、不同材料、不同波段、不同模式等都適用的智能算法，能夠設計超小尺寸的片上集成光子器件。在該工作中，他們利用智能算法設計出多種易集成的平面結構，將入射的TE和TM模式路由到不同輸出端口，選用微納工藝成熟的硅基材料進行了實驗。受已有條件限制，器件的制備和測試在北京大學物理學院完成。該器件工作在近紅外波段，最大透過率為85%，兩種偏振模式輸出對比度超過11 dB，器件尺寸僅為970 nm × 1240 nm，是目前已知實驗報道中的通過算法設計的尺寸最小的偏振路由納米器件。每個單元結構的平均位置誤差容忍度20 nm左右，在當前的微加工技術精度以內。同時，他們為了實現從空間光到片上傳輸的高效率耦合，用所發展的智能算法設計出高效耦合的無序光柵結構，分別作為TE和TM模式的耦合端。該工作為實現片上偏振路由納米器件提供了一種高效、通用的實現方法，也為片上集成全光器件的實現帶來新的啟發和通用的設計思路，將極大地促進納米光子集成器件的發展，及其在高密度集成度光子芯片中的應用。相關研究工作發表在Wiley出版社的《Advanced Optical Materials》期刊上，被Materials Views China科技網站和微信同時進行了報道（https://www.materialsviewschina.com/2020/03/43674/），也被兩江科技評論進行了報道，該工作同時被編輯選為期刊封面進行亮點報道。
圖 由耦合強度γ和增益損耗量κ決定的二維拓撲相圖。拓撲相界面由數學關系tanγ=cosh(2κ)描述。
在拓撲光子學方面，與北京大學物理學院胡小永教授合作，發現在二維PT對稱構型的耦合諧振環陣列光子拓撲絕緣體中存在拓撲相變；并且揭示了產生拓撲相變的內在條件：首次給出了由耦合強度與增益損耗量共同決定的解析關系。相關研究成果發表在物理學頂級期刊《Physical Review Letters》上，特別感謝回復審稿意見過程香港科技大學物理系C. T. Chan教授和清華大學物理系劉永椿副教授的幫助。
拓撲光子學是光學領域十分活躍的研究方向，非厄米拓撲體系因其存在更豐富的物理現象及重要的應用潛力在近年來受到關注，但是非厄米拓撲系統的內在物理十分復雜，因而在二維非厄米拓撲光子體系中實現拓撲相變以及精確的主動調控面臨巨大挑戰。他們采用傳輸矩陣方法分析了滿足PT對稱性的耦合諧振環陣列光子拓撲絕緣體，通過計算體系能帶結構證明了該非厄米體系中存在拓撲相變，并通過代數分析得到了描述拓撲相變發生條件的解析關系式，由此解析關系即得到了該非厄米系統的一個二維拓撲相圖。研究結果顯示，通過對系統主環外加泵浦的方式，即可在拓撲非平凡態與平凡態間切換。這一發現為調控光子拓撲絕緣體拓撲相變提供了一個新的維度，對主動調控拓撲態的進一步發展具有指導作用，并對非厄米拓撲光子學的進一步研究具有啟發意義。
此外，他們受光學領域頂級期刊美國光學學會《Advances in Optics and Photonics》期刊編輯邀請，撰寫了七十余頁的綜述文章“Photonic molecule quantum optics”，全面概述了光分子量子光學的基本原理、研究現狀和發展趨勢，為快速發展的光分子量子光學領域提供一個通用的框架，包括實現結構和材料框架、基本物理機制、在集成光子器件中的應用、面臨的挑戰和發展方向及展望。文章發表后成為該期刊當月下載量最高的十篇文章之一。
以上研究工作得到了國家自然科學基金委、北京理工大學青年教師學術啟動計劃、國家重點研發計劃、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心和北京市科學技術委員會等的支持。
文章信息：（*為通訊作者）
[1] Cuicui Lu,* Zhouhui Liu, You Wu, Zhiyuan Xiao, Dongyi Yu, Hongyu Zhang, Chenyang Wang, Xiaoyong Hu,* Yong-Chun Liu, Xiaohong Liu, and Xiangdong Zhang, Nanophotonic polarization routers based on intelligent algorithm, Advanced Optical Materials 8, 1902018 (2020).
[2] Yutian Ao, Xiaoyong Hu,* Yilong You, Cuicui Lu,* Yulan Fu, Xingyuan Wang,* Qihuang Gong, Topological Phase Transition in Non-Hermitian Coupled Resonator Array, Physical Review Letters 125, 013902 (2020).
[3] Kun Liao, Xiaoyong Hu,* Tianyi Gan, Qihang Liu, Zhenlin Wu, Xilin Feng, Chongxiao Fan, Cuicui Lu,* Yongchun Liu, and Qihuang Gong, Photonic-Molecule Quantum Optics, Advances in Optics and Photonics 12, 60 (2020).
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