时隔半年,北大彭超团队再登Nature:有望大幅推动光子芯片技术发展

时隔半年,北大彭超团队登Nature:有望大幅推动光子芯片技术发展

在激光器和光子芯片等光电器件领域中单向辐射至关重要,但问题在于,单向辐射所使用的反射镜笨重,易损坏且难以制造。

鉴于此,北京大学彭超等人从理论上提出并通过实验证明了单向辐射导模共振态(UGR),首次证实单向辐射导模共振态的存在,通过 UGR,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。

不像传统的 BIC,UGR 仍然可以向顶部辐射,这使得它们作为低损耗光栅耦合器能够有效地耦合芯片上和芯片下的光;此外 UGR 无需反射镜,也可以减少一定程度光散射、损耗,保证光子芯片的数据传输质量与效率。

据研究人员介绍,相关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。

撰文 | 凡雪

机器之心 4 月 30 日消息,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,与美国麻省理工学院物理学系马林·索尔贾希克教授、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实现定向辐射的新方法。

简单来说,就是在光子晶体平板中通过拓扑荷操控实现单向辐射的特殊谐振态(UGR),而在此之前,UGR 的存在一直未得到证实,UGR 状态无需反射镜即可实现定向辐射,并且光损耗、散射更少,以此达到更优异光束缚性能。

需要注意的是,这并非是彭超课题组与麻省理工学院、宾夕法尼亚大学在此领域的首次合作,早在 2019 年 10 月,便有一篇光束缚相关研究发表在《自然》上,不过当时实现的是光子晶体平板中的一类引导共振,实验结果显示光逃逸能量大幅减弱,在工艺误差时仍具优异的光束缚性能。

半年之后,彭超课题组等在该领域实现又一进展,速度不可谓不快,此次研究成果《拓扑保护的单向导模共振态观测》(Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances)在线发表于《自然》,北大电子学系 2015 级博士研究生尹雪帆为第一作者,彭超为通讯作者。

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据悉,相关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。

 一 苦 BIC、反射镜已久

在微小尺度实现光束缚,是构造光缓存、光逻辑和光量子计算的基础。

光场束缚一般由禁止光泄露的边界环绕而成,即使允许光场逃逸,仍可在特定条件下实现光束缚,即连续区束缚态(bound state in the continuum, BIC),不过这类束缚态依赖特定的干涉相消条件。

由于实际器件中的工艺误差不可避免,理想相消条件被破坏,其光束缚能力必然随之劣化,束缚能力变差,光散射、损耗自然也就不可避免。

除了外在的工艺条件,BIC 的拓扑缺陷也逐渐暴露,BIC 是动量空间中极化主轴的涡旋,它们携带整数拓扑电荷。在旋涡中心缺乏对极化的连续定义,因此无法从 BIC 发射远场辐射,在空间上受到限制。

拓扑缺陷以量化的不变性为特征,如超流体中的量子涡旋和奇异光束,如今动量空间中出现拓扑缺陷也被证实。

另外,在光子晶体平板的定向辐射过程中,作为实现大规模光子集成和光子芯片的关键技术——单向辐射技术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。

在光子芯片领域,光散射、损耗无疑是一个巨大问题,光子芯片使用光子 (光粒子) 来传输数据,一旦由于出现光散射等问题,对于数据传输质量、效率都会造成不小困扰。

而可以解决此问题的单向导模共振态的存在(仅朝光子晶体平板的一侧辐射,而另一侧不放置反射镜)在过去很长一段时间都未得到证实。

 二 放弃反射镜,通过特殊谐振态实现单向辐射

此次北大彭超课题组等人的研究主要是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单向辐射的新方法,首次证实单向导模共振态的存在。

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。

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不同倾斜角度辐射状态

在具体实施过程中,实验选取一维光子晶体侧壁三种不同的倾斜角度,分别是侧壁垂直,此时光子晶体板上下左右对称(BIC 结构);侧壁偏离垂直方向(θ=81°),此时不再存在 BIC 结构;继续偏离垂直方向至θ=75°。

可以发现,在θ=81°时,整数电荷 q=1 分为两个半整数电荷 q=1/2,当侧壁进一步倾斜时,两个半整数电荷向下的辐射在动量空间中继续运动,直到θ减小到 75°,此时引导共振不能有任何向下的辐射。

此时,侧壁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。

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通过操控拓扑荷演化,实现单向导模共振态

因为上下镜对称性被破坏,不像传统的 BIC,UGR 仍然可以向顶部辐射,这使得它们作为低损耗光栅耦合器能够有效地耦合芯片上和芯片下的光。

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。

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UGRs 拓扑性质

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。

 三 半年前早有积淀

此次研究并非是彭超课题组与美国麻省理工学院马林·索尔贾希克、宾夕法尼亚大学甄博首次合作,早在去年 10 月,他们从拓扑光子学视角提出一种抑制随机散射泄露的新方法。相关研究成果以《拓扑保护下散射鲁棒的超高品质因子导模共振态》(Topologically enabled ultra-high-q guided resonances robust to out-of-plane scattering)在线发表于《自然》。

在微小尺度实现光束缚(light trapping),是构造光缓存、光逻辑和光量子计算的基础。光场束缚一般由禁止光泄露的边界环绕而成,即光学微腔。但由于实际器件中的工艺误差不可避免,理想相消条件被破坏,其光束缚能力必然随之劣化。

彭超等利用光子晶体平板实现光场束缚。利用二维、四方晶格周期排布的圆孔,在布里渊区中心形成一个对称性保护、固定的整数拓扑荷,并被八个沿高对称线分布、可调的整数拓扑荷环绕;通过调节结构参数,使这八个拓扑荷连续演变,并渐进合并至布里渊区中心,进而形成动量空间里偏振涡旋的完美风暴。

在这一拓扑演化下,光逃逸能量随波矢的渐进关系从平方率跃变为六次方率,即对于同样的波矢偏移,光逃逸能量大幅减弱。因此,在工艺误差引入随机波矢偏移时仍具有优异的光束缚性能。

作为两次论文的通讯作者,彭超 2004 和 2009 年先后在北京大学取得物理学学士学位和通信与信息系统专业博士学位。2009 至 2011 年在京都大学任日本学术振兴会海外特别研究员 (JSPS postdoctoral fellow)。专注于光纤传感器件和系统、纳米光电子学器件及应用的研究。

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北大信息学院电子学系副教授彭超

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,彭超与其合作者已相继在《科学》杂志发表非厄米系统费米弧观测、实空间非阿贝尔规范场的合成和观测等重要研究成果,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。

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