拓扑光子晶体：激发硅光芯片开发新活力

电子科技大学光电技术工程中心郭小伟研究员团队在《激光与光电子进展》发表题为“拓扑光子晶体边缘态理论与应用”的封面论文，在不同维度上以拓扑光子晶体形成边缘的理论模型为基础，对各种光学器件进行分类总结与分析。

封面解读：

封面展示了将拓扑光子晶体应用在硅光芯片开发上的潜力。将拓扑现象引入光子晶体进行设计，产生的拓扑边缘态对光进行限制和传输，该效应具有极高的单向性、对缺陷的鲁棒性、高传输效率等。拓扑光学硅光芯片不仅能提高芯片自身的传导性能，还可以避免芯片在生产过程中由于工艺失误而造成的光路损耗，在硅光芯片发展过程中极具潜力。

文章链接：

刘超, 郭小伟, 李绍荣, 高原. 拓扑光子晶体边缘态理论与应用[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(1): 0100001

一、背景

拓扑光子晶体是在光子晶体的基础上，引入拓扑概念的一种新型晶体结构，利用拓扑光子晶体中出现的边缘态，能够实现对光的单向传输以及对缺陷的鲁棒性。随着对拓扑光子晶体边缘态理论研究的逐渐深入，将其优秀的传输效果应用到实际的光电子器件中，相对于利用普通光子晶体进行设计的光学器件，能解决光子晶体在开发应用过程中存在的一系列问题。

二、理论基础

拓扑学的本质是在系统连续变形下保持不变的状态，将拓扑不变量应用在光子晶体的体-边对应关系上，会产生不因扰动或缺陷形变的边缘态。光子晶体作为一种周期性结构，根据折射率在空间中周期性变化的维度，可以分为一维、二维和三维拓扑光子晶体，目前器件应用几乎集中在一维和二维尺度上。

一维拓扑光子体系中的局域态以1979年Su等[1]提出的Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型为代表，通过晶格中的交错耦合进行输出，实现拓扑相变。随着拓扑光子晶体进一步发展，以SSH模型和扩展SSH模型为基础的拓扑光子器件逐渐引起关注，这个体系具有手性对称性，跃迁只存在于两个交错耦合的格点之间，同时手性对称性也导致了粒子-空穴（电荷共轭）对称性产生，此时该体系的拓扑相转变点发生在能带闭合处。这种情况下SSH模型表现为导体，可以将电子从链的一端传至另一端。相对应的，当迁跃强度不相等，系统将产生能量缺口，随着间隙的出现，已占据态的能量降低，而未占据态则向更高的能量移动。从能量传输的角度来说，这种界面态具有很强的场增强效应，可广泛的应用于激光器中。

二维光子晶体能够产生拓扑边缘态的效应包括光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应和光量子谷霍尔效应，通过打破时间反演对称性或空间反演对称，来打开能带中的Dirac锥获得非零Chern数的拓扑态，进而出现拓扑边缘态。其中谷霍尔效应在2007年由Xiao等[3]在石墨烯系统中被发现，因其能带中会形成两个由时间反演对称性连接的Dirac锥，而被称为Valley。更进一步地，研究人员在三角形晶格或蜂窝晶格结构的光子晶体中发现与石墨烯相似的性质，通过对这种类型的光子晶体结构进行调控，实现了不会发生谷间散射的光量子谷霍尔效应。

三、拓扑光子晶体的应用

拓扑光子晶体调控的方法没有特殊限制，关键要找到具有不受缺陷扰动影响的鲁棒性边缘态。拓扑光子晶体的应用主要集中在对光电子器件的性能优化上，主要包括拓扑激光器、利用拓扑边缘态进行传输的光波导阵列、以拓扑光子晶体为基础进行设计的单向传导器件及应用在生物传感上的拓扑光电子器件。这些器件多以CMOS工艺进行开发和集成，拓扑结构的引入能够在其原本具备较高性能的基础上，能够引入高单向性、强鲁棒性等效果，接下来对各个器件的实际优化效果进行讨论，展望各个器件需要开发和改进的方向。

1.拓扑激光器

拓扑激光器主要是指将拓扑结构引入激光阵列，能够利用边缘态高方向性、高集成度、高传输效率等优势，解决激光在谐振腔内因激光模式退化出现的低输出耦合、多模激光和斜坡效率低等问题。自2017年以来，拓扑光子晶体在各个维度上的激光阵列如图1所示，理论与实验验证这种结构能够展现出良好激光输出效果，这将成为未来提高芯片计算速度的坚实基础。

图1 （a）一维拓扑微环激光器的基本结构[4]；（b-c）二维拓扑激光器的几何结构[5、6]

2.光波导阵列

在通信领域，将拓扑边缘态引入以光波导阵列为基础的光量子芯片，能增加传输效率并减小散射损耗，为光量子处理器的研发做出巨大贡献。另外将拓扑光子晶体应用于单向传导效应能够解决该效应需要在强磁场下工作、外部电场调制的集成等难题。在以光子芯片为代表的光电子器件中，保证器件的单向辐射是非常重要的，但制造过程中由于单向辐射的结构存在难制造、易损坏、损耗高、体积大等问题，光子芯片等器件的进一步发展具有较多障碍。通过设计光子晶体结构实现单向导模共振态，能够有效减小芯片端口处的插入损耗，这会进一步推动拓扑光子学在光子芯片领域的应用发展。

3.马赫-曾德尔干涉仪

电子科技大学郭小伟研究员团队于2020年提出一种在谷霍尔效应下受拓扑保护的马赫-曾德尔干涉仪（MZI），成功将拓扑现象引入传统MZI中，实现了极高的灵敏度与输出功率。其结构与传输效果如图2所示，对探测臂中填充的测量样品进行模拟，设置样品折射率为1~1.5，以1550 nm的通信波长为例进行具体分析。可以观察到，透射波中存在很多相干相长和相干相消的周期，这种特性可以应用于化学和生物领域的样品检测等场景，具有较高灵敏度。同时，由于拓扑边缘态对缺陷的鲁棒性，拓扑MZI干涉仪为光学器件在生化传感中的应用开辟的新的方向，即使样品溶液中某些颗粒阻塞了检测通道，检测结果依然不会受到影响，这使检测效率得到了进一步提升。

图2 TPMZI及VPC结构[7]。（a）TPMZI结构；（b）VPC结构；（c）TPMZI的宽带高效传输光谱；（d）TPMZI呈现出相干相长、相干相消的周期性

四、总结与展望

拓扑光子学是非常有前景的光学分支，在传输效果、结构设计、材料选取的优化，以及对各种新型结构的研究上都有更广阔的应用前景。引入拓扑光子晶体的光学器件，在传输效果、输出强度以及对缺陷状态的鲁棒性上都得到了前所未有的改进。从目前的器件应用进展来讲，拓扑光子晶体的实际应用也会出现很多问题，如调控条件、材料尺寸及获取方法、器件性能控制与结构尺寸的限定等，这些都会成为未来开发人员在设计过程中需要仔细考量的因素。随着5G时代的到来，6G通讯的研究发展步入正轨，要实现真正高速的万物互联，考虑引入拓扑光子晶体的光通信模块是否能减少设计成本并提高传输效果，是需要进一步思考与探究的方向。

[1] Su W P, Schrieffer J R, Heeger A J. Solitons in Polyacetylene [J]. Physical Review Letters, 1979, 42(25): 1698-1701.

[2] Yang K L. Study on topological phase and domain wall fractional charge of one-dimensional topological insulator-SSH mode [D].Nanjing: Nanjing Normal University,2016

杨昆仑. 一维的拓扑绝缘体—SSH模型拓扑相和畴壁分数电荷的研究[D]. 南京师范大学, 2016.

[3] Xiao D, Yao W, Niu Q. Valley-Contrasting Physics in Graphene: Magnetic Moment and Topological Transport [J]. Physical Review Letters, 2007, 99(23): 236809.

[4] Zhao H, Miao P, Teimourpour M H, et al.Topological hybrid silicon microlasers[J]. NatureCommunications, 2018, 9(1): 981.

[5] Bandres M A, Harari G, Wittek S, et al. Topologicalinsulator lasers[C] ∥Nonlinear optics, July 17-21,2017, Waikoloa, Hawaii. Washington, D.C.: OSA,2017: NF2A.1.

[6] Zeng Y, Chattopadhyay U, Zhu B, et al. Electricallypumped topological laser with valley edge modes[J].Nature, 2020, 578(7794): 246-250.

[7] Yang P L, Jiang P P, Guo X W, et al.Topologically protected Mach-Zehnder interferometer[J]. Journal of Optics, 2020, 22(10): 105001.

作者简介：

郭小伟，电子科技大学光电技术工程中心研究员、博导。2007年博士毕业于四川大学，同年进入电子科技大学工作。2019-2020,在英国格拉斯哥大学做访问学者；2011-2013,在韩国首尔国立大学做博士后研究员；2010-2011,在美国麻省理工学院（MIT）做访问学者。主要从事光电子技术和器件、微细加工技术等方面的研究。在J. Mater. Chem. A，Sensors and Actuators B，Optics letter，Optics express等期刊上发表论文70余篇，引用次数达690次。申请发明专利15项，授权发明专利7项，2016年获欧盟地平线项目Seal of Excellence以及中国创新创业大赛浙江赛区优秀奖。