我校物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董建文教授研究團(tuán)隊(duì)，研制出具有抗散射、大帶寬、高精度的硅基能谷光子晶體，并實(shí)現(xiàn)了光通信波段拓?fù)涔庾勇酚?。該成果以“A silicon-on-insulator slab for topological valley transport”為題，于2019年2月20日在線(xiàn)發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）。
大數(shù)據(jù)和下一代通信技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算、信息處理和傳輸速度的要求不斷提高，新型光信息傳輸/處理的維度和自由度將成為后摩爾時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)核心。在傳統(tǒng)框架下，不少光傳輸問(wèn)題受到根本物理原理制約而無(wú)法在集成光電子領(lǐng)域獲得實(shí)質(zhì)性突破。長(zhǎng)期以來(lái)，微納光子器件中的光波導(dǎo)大角度轉(zhuǎn)彎、制備誤差引起的缺陷和無(wú)序等，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈散射損耗，從而影響了光信息的傳輸性能。人們希望從物理源頭出發(fā)，能提出新型抗散射機(jī)制來(lái)獲得整體上的高保真光傳輸性能，這正好與近年興起的拓?fù)涔庾訉W(xué)（Topological Photonics）內(nèi)涵相吻合。
拓?fù)鋵W(xué)關(guān)注的是幾何物體在連續(xù)形變下保持的全局性質(zhì)，它只關(guān)注物體之間的位置關(guān)系而不考慮它們的大小和形狀。對(duì)于拓?fù)涔鈱W(xué)結(jié)構(gòu)而言，空間上缺陷和無(wú)序只會(huì)引起局部參數(shù)空間變化，不影響該空間的全局性質(zhì)。因此，光子態(tài)的性質(zhì)非常穩(wěn)定，對(duì)微納制備誤差有較高的容忍度。盡管已有豐富的研究，但由于物理原理或材料屬性等方面的限制，大多數(shù)仍集中在微波宏觀(guān)尺度，難以直接推廣到光波段和微納光學(xué)系統(tǒng)，制約了拓?fù)涔庾訉W(xué)與微納光子學(xué)之間的融合發(fā)展。
針對(duì)這一難題，該研究團(tuán)隊(duì)利用能谷-贗自旋耦合原理，在絕緣層硅（SOI，silicon-on-insulator）上制備出能谷光子晶體平板。該拓?fù)涔鈱W(xué)結(jié)構(gòu)具有~40nm的特征尺寸，其光子模式（因工作于光錐以下）能夠較好地局域在平板內(nèi)，抑制了平板外損耗。他們制備了直線(xiàn)形、Z形和Ω形等三種拓?fù)涔鈱W(xué)通道，測(cè)量出高透平頂透射光譜帶，證實(shí)了近紅外波段下拓?fù)浔Ｗo(hù)的寬帶抗散射傳輸。采用硅微盤(pán)技術(shù)產(chǎn)生相位渦旋源，無(wú)需低溫和強(qiáng)磁等極端環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浣缑鎽B(tài)的選擇性激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了亞微米量級(jí)耦合長(zhǎng)度的寬帶光子路由行為，驗(yàn)證了能谷-贗自旋耦合等拓?fù)涔鈱W(xué)原理。
在硅基平臺(tái)上證實(shí)拓?fù)涔庾訉W(xué)原理，是目前國(guó)際學(xué)術(shù)前沿的聚焦度較高的領(lǐng)域之一。研究團(tuán)隊(duì)過(guò)去在拓?fù)涔庾訉W(xué)原理方面的工作，多次引起國(guó)際同行關(guān)注，論文入選ESI高被引。該工作中，他們深入系統(tǒng)地發(fā)展出硅基拓?fù)涔鈱W(xué)等關(guān)鍵理論，攻克了數(shù)十納米加工工藝等關(guān)鍵技術(shù)，率先在硅基光子平臺(tái)與拓?fù)涔庾訉W(xué)之間建立了聯(lián)系，突破了單一自由度調(diào)控的傳統(tǒng)框架，提出了硅基中多自由度耦合的多維調(diào)控新機(jī)制，為微納光學(xué)與光子學(xué)、光二極管等關(guān)鍵光子芯片器件、混合集成光子學(xué)、高保真光量子信息光學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)等領(lǐng)域，提供了新方法和新思路。
該研究工作由董建文教授研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成（中山大學(xué)為唯一署名單位），第一作者為何辛濤特聘副研究員，兩名研究生（梁恩濤和袁嘉俊）為共同第一作者。該工作得到教育部青年長(zhǎng)江、國(guó)家優(yōu)青基金項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目，以及光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和物理學(xué)院的大力支持。
