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芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)1月21芯片评论PHOTONICSDOI:10.1016/j.chip.2022.100025片上拓扑纳米光子器件吕翠翠1,<$,袁宏毅1,<$,张宏宇1,<$,赵文1,张念恩1,郑延吉1,赛义德·艾尔沙哈1,刘永春21北京理工大学物理学院先进光电量子结构与测量教育部重点实验室,纳米光子学与超细光电子系统北京市重点实验室,北京100081 2清华大学量子信息前沿科学中心物理系低维量子物理[2]这些作者对本书的贡献同样巨大E-mail:cuicuilu@bit.edu.cn(Cui-Cui Lu)Cite as:Lu,C.- C.等,片上拓扑纳米光子器件。Chip1,100025(2022).https://doi.org/10.1016/j.chip.2022.100025投稿时间:2022年接受日期:2022年在线发布:2022年片上拓扑纳米光子器件以光子为信息载体,在光传播过程中具有拓扑保护,在下一代光子芯片中具有巨大的应用潜力。拓扑光子态使得纳米光子器件具有鲁棒性和稳定性,即使在不完善的结构下也不受散射的影响。片上拓扑纳米光子器件的发展、机遇和挑战本文按集成光子芯片的功能顺序介绍了拓扑器件,即拓扑光源、拓扑光波导、拓扑光分割与选择、拓扑光操纵和拓扑光探测。最后,从非厄米系统、非阿贝尔拓扑结构、超表面、智能算法和多功能拓扑纳米光子集成等角度,对预测和提升片上拓扑纳米光子器件的性能这篇综述为片上拓扑纳米光子器件提供了丰富的知识。本文的见解将为拓扑光子芯片的实现带来新的启发和思考关键词:拓扑光子学,纳米光子器件,光子芯片1. 介绍拓扑学作为数学的一个分支,是由李德莱斯等人引入凝聚态物理的1和Kohmoto2在解释K.Klitzing3.近年来,拓扑学已经扩展到光子系统,并取得了很大的进展4拓扑在光子学领域的引入最初源于电子系统中量子霍尔效应的直接类比,其中能带的拓扑结构由拓扑不变量如陈数描述。拓扑光子学的类比最早由Haldarin和Raghu提出。随后,Wang等人实现了单向拓扑波导,并且该器件在微波范围内实现并且不受大散射的影响8,9,这是拓扑光子学领域的早期工作此后,拓扑光子学在新现象和丰富物理学的推动下,越来越受到研究界的重视自2014年以来,已经发表了几篇关于拓扑光子学的评论4已经提出了实现拓扑光子态的各种机制6。基于这些拓扑保护机制,可以设计出拓扑光子器件例如,基于拓扑边缘状态的单向传输来设计单向波导,其中光可以在不考虑缺陷19、20的情况下传播。在大数据的浪潮中,遵循摩尔定律的电子芯片的发展片上纳米光子器件携带和处理具有纳米级光子的信息,具有低能量成本和宽带宽的优点,并且被认为是某些应用情况下解决方案的潜在候选者,包括全光连接、全光计算和全光网络22然而,也存在不可避免的误差,特别是在纳米器件的制备过程中,通常会导致功能的衰减。拓扑光子学的引入为片上光信息处理提供了广阔的前景利用拓扑态构建片上纳米光子器件的趋势设计了许多片上拓扑纳米光子器件11、26、27。由于拓扑边态的鲁棒性,加工误差带来的不利影响将被抑制。鉴于拓扑光子学的显著优势和片上光处理的重要性,本文对片上拓扑纳米光子器件进行了综述 如图 首先介绍了拓扑光源,然后介绍了拓扑光波导、拓扑光分割与选择、拓扑光信息处理、拓扑量子信息处理和拓扑光放大器与传感器。审查包括九个部分第一部分是绪论,分别介绍了拓扑光子学的发展和拓扑纳米光子器件的优点。第二部分是拓扑光源,包括拓扑激光器和拓扑量子光源。本节首先总结了几种典型的基于不同拓扑系统的拓扑激光器,然后介绍了基于环形腔系统的拓扑量子光源第三部分介绍了拓扑光子波导的一些典型成果,包括光子量子霍尔效应、光子量子自旋霍尔效应、光子谷霍尔效应和拓扑光子波导阵列。第四部分是拓扑审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)2月21日图 1|片上拓扑纳米光子器件的组织。光的划分和选择,介绍了光子芯片的关键器件拓扑彩虹、第五部分是拓扑光信息处理,包括拓扑光开关、拓扑光隔离器、拓扑光环行器,以及拓扑光逻辑器件等重要的光信号处理器件第六部分介绍了拓扑量子信息处理中的器件,它不同于传统信息处理中的拓扑器件。第七部分介绍了拓扑光放大器和拓扑光传感器,它们是实现片上信号采集和转换的基本器件。第八部分对未来的片上拓扑纳米光子器件的设计进行了展望,主要从以下三个方面进行了讨论:基于非厄米、非阿贝尔和元表面等系统构建片上拓扑器件的思路,智能算法的应用,以及多功能拓扑纳米光子集成的实现最后,对全文进行了总结在第二至第七节中,在对器件进行综述之前,对器件进行了简单的介绍,并在最后对器件的发展机遇和挑战进行了讨论,以期为研究人员感兴趣的专用器件的发展带来新的启示。本文综述了近几十年来片上拓扑纳米光子器件的研究进展,并对未来的发展进行了展望,为拓扑光子学在片上光信息处理中的应用奠定了基础2. 拓扑光源片上光源通过在片上发射特定波长的光来提供光信号然而,传统的片上光源在存在无序和缺陷时,其性能普遍下降。拓扑光子学极大地促进了基于拓扑状态的片上光源的发展,例如拓扑激光器和拓扑量子光源,其对外部紊乱具有固有的鲁棒性。在本节中,我们将回顾片上拓扑光源的最新进展2.1. 拓扑激光器单模、小发散角、低阈值和高效率是片上激光器的重要特性,这些特性决定了它们是否具有作为片上光源的高性能,以用于许多应用。拓扑相位的研究Light为设计抗紊乱的紧凑芯片上光源提供了新的见解。拓扑光子谐振腔是片上拓扑激光器的基本平台,它利用了非平凡的能带拓扑和拓扑态。片上拓扑激光器的实现将在近场光谱、自由空间光学传感、电驱动激光光源和光子晶体面发射激光器等方面有着广泛的应用。在目前的工作中,几种典型的基于光子量子霍尔效应的拓扑激光器28。non-Hermitian topol- ogy非埃尔米特拓扑学29,30.谷霍尔效应、光子量子自旋霍尔效应32-单模是片上激光器的一个重要特性,因此人们一直在努力实现单模拓扑激光器。2017年,Bahari等人基于由钇铁石榴石(YIG)材料制成的拓扑腔实现了非互易单模激光,可以在室温和电信波长28下工作。基于YIG衬底,系统的时间反转对称性可以在静磁场下被打破。设计并实验实现了任意形状的拓扑腔,如图1所示。凌晨2他们的工作为开发用于光子集成的任意几何形状的复杂拓扑电路提供了机会然而,磁光效应引起的光谱带隙很窄,并且在光频处磁光效应很弱。在不外加磁场的情况下实现单模拓扑激光器是十分必要的2018年,Bandres等人报道了在没有磁场的非厄米系统中观察到拓扑保护的边缘模式激光,该实验基于在InGaAsP量子阱平台29上增加增益和损耗。所提出的结构包括一个10个单位单元的10个单位单元耦合的环形谐振器阵列上的一个有源平台,涉及InGaAsP量子阱。每个环形谐振器通过连接环相互耦合,并且连接环与主环形谐振器反谐振。中间环节是明智的空间沿y轴移动,并引入了一组不对称的跳跃相位,提供了一个合成磁场和拓扑带隙的晶格拓扑阵列的激光特性如图所示。 2 b的全周长下的选择性泵浦,这为开发新型的有源拓扑光子器件提供了一条途径。除了单模特性外,电抽运特性在实际应用中起着关键作用。2020年,Zeng等人展示了一种基于拓扑保护谷边态的电泵浦太赫兹量子级联激光器31。 如图 2c,审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)3月21日图2| a,具有任意形状的拓扑腔的示意图和拓扑腔28的顶部的真实空间相机图像。b,拓扑微谐振器阵列29的激光特性。转载请注明出处。28比29© 2017,2018美国科学促进会。c,所制造的拓扑波导在拐角31附近的SEM图像。d,拓扑三角形环形腔31的本征模的强度分布。转载请注明出处。31号。© 2020自然出版集团。e,可缩放的开放狄拉克电磁腔37的SEM图像。f,伯克利表面发射激光器的示意图37。转载请注明出处。37岁。© 2022自然出版集团。g,所制造的拓扑体激光器的SEM图像转载请注明出处。32号。© 2020自然出版集团。h,受限腔模式的电场分布转载请注明出处。32号。© 2020自然出版集团。i,具有X形腔33的拓扑涡旋激光器的SEM图像。 j,拓扑涡旋激光器33的激光发射图案。转载请注明出处。33号。© 2020美国物理学会。k,狄拉克涡旋拓扑腔34的近场。图1,Dirac涡旋拓扑腔表面发射激光器35的示意图。m,所制造的拓扑光子晶体角态腔的SEM图像和角态36的激光行为。转载请注明出处。34比36© 2020自然出版集团。n,拓扑混合纳米腔38的示意图。〇,耦合相变的颜色图38。转载请注明出处。38岁。©2021 Optica出版集团。(有关此图图例中颜色的解释,请读者参阅本文的Web版本审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)4月21日===-拓扑界面(绿色虚线)是通过将两个具有相反valley Chern数的域连接在一起而生成的。谷边态的电场集中在界面处。通过在三角形环形腔底臂下方引入直谷边态波导,设计了基于谷型光子晶体图2d给出了典型拓扑本征模的强度分布和拓扑激光模的光谱基于谷边态的激光器为电驱动激光器拓扑保护的实际应用开辟了道路。单模表面发射激光器在科学和技术中发挥着重要作用然而,能否保持单模工作状态取决于腔的尺寸.如何实现“尺度不变”腔仍然是一个最近,Contractor等人已经提出并展示了基于开放狄拉克电磁腔37的可缩放单模表面发射激光器(Berkeley表面发射激光器)。所提出的结构的SEM图像如图所示。图2e,其中六边形晶格光子晶体被截断以形成开狄拉克电磁腔。独立式空腔通过六边形拐角处的六个桥连接到主膜,以实现机械稳定性。随着腔体尺寸的增加,单模激光被保持,因为开放狄拉克腔体中朝向常数的自由光谱范围由不同布洛赫带的损耗率决定非传统的开狄拉克腔模式使所有的单胞(或谐振腔)同相,所有的单胞都参与了激光模式。 如图图2f,伯克利表面发射激光器的示意图示出了来自非常规开放狄拉克腔模式的泵浦光束(蓝色)和激光光束(红色)。这项工作表明了开放性和模式混合物在倒易空间中的基本重要性所提出的开狄拉克腔为光-物质相互作用和腔量子电动力学开辟了道路Ma et al.提出了基于全折射量子自旋霍尔类比拓扑光子晶体的单模拓扑体激光器和微/纳米尺度的拓扑涡旋激光器32,33。从不同的角度探索能带结构的物理机制,可以实现不同优点的拓扑激光器。如图2g所示,所设计的单模拓扑体激光器由具有量子自旋霍尔效应的拓扑光子晶体和周围的平凡光子晶体组成。拓扑接口用红线标记。通过将三单元纳米腔和拓扑单元纳米腔一起布置在同一芯片上,由于体能带反转,带反转反射发生在界面上。由于平凡光子晶体中的态不能传播到拓扑光子晶体中,因此光波在界面处被反射,形成有效的腔反馈用于激射。图2i示出了在带隙的低频侧处的全波模拟基本腔模式,其中电磁场被很好地限制在拓扑体激光腔中。基于两种自旋动量锁定边缘态,实现了拓扑涡旋激光器,这两种边缘态的动量和自旋分别相反33。所制作的具有X形拓扑界面的拓扑涡旋激光器的SEM图像如图2i所示。如图2j所示,拓扑界面处的发射被抑制,并显示为暗Lu等人提出了一种基于Jackiw-Rossi零模的单模Dirac-vortex拓扑腔,它是通过在蜂窝状光子晶体34的超晶胞中应用广义Kekulé调制而构造的。拓扑零模的近场分布图2k显示了狄拉克涡旋。提出的狄拉克涡旋腔可以提供一个强大的单模,并在所有已知的传统腔中具有最大的自由光谱范围(FSR)。 基于狄拉克涡旋拓扑腔,实现了一种性能最好的拓扑腔面发射激光器。 2 l,表现出10 W峰值功率,亚1°发散角和60 dB单模抑制35.得益于上述优点,它具有实现片上应用的巨大潜力低阈值、高能效的片上激光器对于拓扑纳米光子电路的发展2020年,Zhang等人展示了一种基于角态的低阈值拓扑纳米激光器36。所制作的拓扑纳米激光器如图2m所示,它由两种具有相同晶格常数但不同晶胞的带有方形空气孔这两种晶胞具有相同的能带结构,但二维Zak相位θZak不同。拓扑角态的电场分布示于插图中,其紧密地局限于角周围低阈值拓扑纳米激光器的实验验证对于发展经典和量子态下的拓扑纳米光子电路具有重要意义。然而,由于光衍射极限的限制,所提出的结构的模体积V难以减小,使得品质因数Q/V不高,纳米粒子系统在研究纳米尺度下的光-物质相互作用中起着重要的作用。拓扑光子学和纳米粒子系统的组合为探索拓扑相提供了新的途径39。在2021年,Lu等人的小组提出了具有超高品质因数Q/V的拓扑混合纳米腔,其由拓扑光子晶体纳米腔和等离子体纳米天线组成(如图2n38所示)。其Q/V值比裸拓扑光子纳米腔大两个数量级,使光与单个发射极的耦合通过调节等离子体纳米天线的长度和间距,可以控制天线的耦合强度和品质因数因此,实现了弱耦合和强耦合之间的耦合相变(如图2 o所示)。还计算了Q/V随天线长度和间距的变化(如图2o所示)。该工作为实现光与单发射极之间的强耦合和耦合相变提供了一种新的方法,在量子光学中具有广阔的应用前景。2.2. 拓扑量子光源量子光源在量子通信、量子信息处理和量子精密测量等方面有着重要的应用。大多数单光子源依赖于自发的参数过程,其可以由电磁场的真空波动介导40然而,纳米光子制造造成的混乱有助于光谱变化,严重影响所产生的光子的光谱。如何实现基于拓扑鲁棒的电磁模式的量子光源仍然是一个有待解决的核心问题。近年来,耦合环形谐振腔系统中丰富的拓扑物理特性引起了人们越来越多的关注。Ao等人揭示了增益和损耗为43的二维耦合谐振腔光波导系统中的拓扑相变。 如图 2a时,随着耦合强度γ的变化,沿水平蓝线发生拓扑相变,随着增益损耗量κ的变化,沿垂直绿线发生拓扑相变。不同增益损耗量κ下的电场分布如图2b所示。当κ0和κ0.322时,系统处于拓扑区域,如上图所示.下面图3b中的两幅图显示系统分别演化到体态(κ0.761)和平凡区(κ0.804)。这项工作提供了一个新的自由度来控制拓扑状态。审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)5月21日年代我×年代我年代我=图3| a,耦合强度γ和增益-损耗量κ 43的拓扑相图。b.不同增益损耗量κ43下的电场分布。C,转载许可证从参考。43号。© 2020美国物理学会。位置环谐振器(青色)和使用链接环耦合(黄色)的SEM图像转载请注明出处。40岁。© 2018自然出版集团。d,拓扑量子器件的图,其中纠缠光子以一对边缘模式出现和流动,而它们在体晶格41中绝缘和耗散。即,由气孔41的周期性阵列组成的2D光栅耦合器。转载请注明出处。第四十一章。© 2022自然出版集团。f,信号光子和闲频光子之间的互相关函数g(2)(τ)的直方图。转载请注明出处。40岁。© 2018自然出版集团。g.不同模式下电磁场的实测实空间分布:拓扑赝自旋上升边缘模式41。转载请注明出处。第四十一章。© 2022自然出版集团。(有关此图图例中颜色的解释,请读者参阅本文的Web在2018年,Mittal等人通过使用在环形谐振器40的二维阵列中实现的拓扑边缘状态证明了相关光子对的产生。所提出的结构的SEM图像如图3c所示,它由环形谐振器的二维正方形晶格组成,其中包含位置-环形谐振器(青色)和耦合使用链接环(黄色)。利用连接环耦合相邻格点环,合成了一个均匀磁场,使得光子从一个格点跳到其相邻格点经历了一个依赖于位置和方向的跳变相位.用二阶互相关函数g(2)(τ)表征了产生的光子之间的非平凡相关性最大g(2)(τ)τ 时800为观察到(图3f),这是不同于两个不相关源的条件(g(2)=1的所有τ)。量子光的拓扑源为研制在量子通信中具有广泛应用前景的量子光子器件奠定了基础最近,Dai等人展示了片上拓扑保护的量子纠缠发射器,其可以产生拓扑保护的纠缠和对环境扰动的免疫力41。所提出的结构的示意图如图3d所示,它由强耦合微环谐振器的10一个2D光栅耦合器位于终端,以确保赝自旋态的相干叠加(图1)。 3 e)。测量了不同模式下电磁场的实空间分布,如图所示。 3g,并且还通过引入以“PKU”形状排列的缺陷来证明装置的稳健性。拓扑保护的量子阱-审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)6月21日这种发光体可以促进其他拓扑量子光子源的研究,并有望在量子计算中得到应用。2.3. 机遇与挑战拓扑光子学的发展极大地促进了高性能片上拓扑光源的产生。它们对外界扰动具有鲁棒性,具有纯单模、小发散角、低阈值和高能量效率等特点这些优点使得拓扑光源在近场光谱、自由空间光学传感、光子晶体表面发射激光器、量子通信和量子计算等领域有着广泛的应用然而,光子芯片的实现还存在两大难题:一是如何将拓扑光源与片上其他对于第一个问题,它是由未来微/纳米制造技术的进展所决定的。对于第二个问题,也许反设计的方法可以优化效率问题。3. 拓扑光波导拓扑光子学作为一种操纵光的流动的新途径而出现。拓扑保护的光子态,支持在平凡和拓扑非平凡的绝缘结构的界面处,在使低损耗光波导在结构缺陷的存在下发挥重要作用自从通过使用光子手征边缘态首次发现微波区域中的鲁棒光波导9以来,不仅在微波44-48中,而且在光学和近红外范围49-52中观察到了基于光子量子霍尔效应、光子量子自旋霍尔效应、光子谷霍尔效应和光子Floquet霍尔相位中的拓扑边缘态的拓扑保护波传播下面,我们将讨论拓扑光子波导的一些典型成果3.1. 基于光子量子霍尔效应的拓扑波导Hal-Raghu和Raghu从理论上证明了具有破缺时间反转对称性的光子晶体可以表现出量子霍尔效应的光子模拟7,53。手征边缘态只能沿着构成波导的两个光子晶体的边界在一个方向上传播,即使存在结构缺陷和急弯。第一个理论8和实验9光子量子霍尔效应是由Wang等人验证的。在旋磁光子晶体中。 图 4 a(顶部)示出了计算的光传播场图9。可以清楚地看到,光的向前传播几乎不受障碍物的后向散射的影响。实验中测得的前向和后向透射谱如图4a(下)所示,它们之间的巨大差异证明了手征边缘态的鲁棒传播。随后,还报道了基于旋磁光子晶体平台的几项实验工作19,45,54,55。采用混合方法来打破静态外部磁场下半导体光子晶体的时间反演对称性28。他们在YIG薄膜上键合了一个带有InGaAsP量子多阱的光子晶体板。此外,在非晶系统中证明了拓扑非平凡的能隙和边态(图1)。 4b)56.3.2. 基于光子量子自旋霍尔效应的拓扑波导磁光效应限于微波频率并且在光学范围内趋于非常弱57。施加磁场的困难和旋磁材料的稀缺使得难以实现磁致伸缩。光子量子霍尔效应打破时间反演对称性的挑战刺激了对时不变系统中量子自旋霍尔(QSH)效应的光子模拟的研究58。QSH拓扑系统的边缘态具有与量子Hall系统不同的特征。首先,边缘状态不再是单向传输,光可以向前或向后传播。此外,量子自旋霍尔系统的特征在于Z2拓扑不变量。实验证实了边态对大弯曲、综合规范场随机分布和晶格无序的鲁棒性光子QSH态是由Hafezi等人在理论上提出的。在2011年使用二维耦合谐振器光波导(CROW)网络,其产生与晶格59不相称的相移。该提议在2013年50实验性地实现,并且很快提出了使用光学环形谐振器的其他方案60。此外,QSH效应也可以在双各向异性超材料中实现(图4c)。在这种情况下,自旋分量由横电(TE)和横磁(TM)模式的两个线性组合表示。与CROW相比,双各向异性异向介质可以在与电磁波波长61相同的尺寸量级上被制造。最近,Hu和Hang小组在理论上提出了一种基于全电介质材料的不同方法,以实现二维光子的量子自旋霍尔效应的模拟65,并在实验上实现了62,这对光学范围内的片上集成是友好的。该配置基于全介电材料,并且可以通过将棒状蜂窝晶格变形为三角形晶格来诱导QSH效应,如图所示。图4d.该方案的简单性已经触发了在其他光子系统中的实现,例如微波(图4e)46和光子晶体板(图4e)46。4f)63.3.3. 基于谷霍尔效应的拓扑波导另一种可以构成拓扑波导的结构是谷光子晶体,它是谷霍尔电子系统的光子模拟。通过打破三角形排列的介质棒的空间反转对称性,首次提出了光子谷霍尔效应,并且还证明了边缘态的单向传播和有效的内耦合和外耦合。在微波中使用设计的表面等离子体激元晶体(图4 g)47实验观察到谷依赖的稳健传播,并进一步扩展到基于光子晶体的表面波(图4 g)。 4h)64.绝缘体上硅(SOI)平台是硅光子学中广泛使用的平台,其与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容并且允许与其它光电子器件集成在单个芯片2019年,在实验上实现了SOI谷光子晶体波导中的鲁棒光传输。慢光效应吸引了研究人员的广泛兴趣,因为它可以增加光-物质相互作用,增强线性和非线性效应68理论研究表明,谷保护慢光比普通波导对无序更鲁棒70。将慢光波导与拓扑非平凡边缘态相结合具有重要意义,使得在光信号处理装置71、72中能够实现许多可能的应用。3.4. 拓扑光子波导阵列拓扑保护的光子态已经通过使用一维基于SSH模型的耦合硅波导阵列20进行了实验研究。该结构由两个具有不同拓扑不变量的硅波导二聚体链连接而成,在它们之间的界面处会发生拓扑通过改变长-长缺陷的构型,可以将长-长缺陷形成的单一拓扑态转化为存在于短-短缺陷处的复合平凡态。审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)7月21日图4|二维平台中的拓扑光子波导。a,拓扑波导,其示出了光的鲁棒传输,几乎没有反向散射(顶部),以及测量的前向和后向光的传输光谱(底部)。转载请注明出处。第九章© 2009 Nature Publishing Group。b,非晶晶格中的鲁棒TM边缘传播56。c,在拓扑平凡和非平凡光子绝缘体之间的界面处由点偶极源激发表面波61。转载请注明出处。56,61。© 2017,2013 Nature Publishing Group. d,平面外电场的稳健传输。转载经裁判许可。62岁© 2018 AmericanPhysical Societye, LF和HF边缘模式的实验电场图。转载请注明出处。第四十六章。© 2017自然出版集团。f,具有四个弯曲的边缘状态的电场强度。转载请注明出处。63岁© 2016 Institute of Physics Pub. g,使用设计者表面等离子体激元晶体在微波中实验观察到的谷依赖的稳健传播。转载请注明出处。47岁。©2017自然出版集团。h,Z形波导64中的边缘状态的拓扑保护。i,通过长-长缺陷20连接的两个硅二聚体链。j,长-长缺陷情况20的拓扑缺陷模式的模态振幅。k,通过图4的结构传播的输入信号的传播模拟。转载请注明出处。20,64。© 2016,2017美国物理学会。界面之间的波导。图4i和图4j中示出了具有长-长缺陷的结构和缺陷周围的单个拓扑模式的模式振幅。图4k描绘了光在奇异拓扑缺陷中的传播,并且光总是指数地局限于缺陷周围这项工作提供了实验基于耦合硅波导阵列的拓扑保护波导的证据Floquet拓扑相位可以被理解为Bloch定理的时间计数器部分,这意味着时间周期哈密顿量的解可以通过将时间周期函数乘以审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)8月21日阶段术语。正如空间周期性结构可以拥有拓扑相位,周期性时间调制下的系统也可以支持称为Floquet拓扑相位的拓扑相位73,74。在光子学中也已经通过使用时间相关指数调制75、76和使用波导阵列的传播轴来模拟类时轴77、78来实现这种现象。最近已经对布置在石墨烯状蜂窝晶格中的耦合螺旋波导进行了实验研究49,并且实验结果清楚地证实了波导的扭曲产生了拓扑Floquet状态,导致波导阵列的开口端边缘状态的鲁棒性也被证实通过无反射传播跨越尖锐的角落之间的不同削减的晶格和周围的波导缺陷。Floquet拓扑系统和环形谐振器阵列的二维网络之间的严格数学联系的发现提供了在该平台中直接映射和仿真Floquet状态的机制79。最近,另一个所谓的反常Floquet磁阻,79,80已经通过提升快速调制77,78的条件实验证明。3.5. 机会与挑战拓扑边缘态在高维非厄米光子系统中也得到了证实。能够支持拓扑系统的光子平台存在于很宽的频率范围内,为未来厄米和非厄米系统中片上光子器件的设计提供了更多的可能性。当然,拓扑结构的鲁棒性存在一个上限,这意味着光的传输会受到强扰动的影响。由于平台尺寸等技术问题的限制因此,拓扑光子波导的研究将继续面临巨大的挑战。4. 拓扑光的划分与选择在光芯片的信息处理中,分光选光装置是非常重要的,它可以用于宽带信息处理,将具有不同信息的光进行分光,分配到不同的位置或端口。传统的基于拓扑结构的纳米器件对误差、无序甚至不完美的加工都很敏感,结构偏差会严重影响器件的性能。拓扑光子学的引入为设计鲁棒的拓扑分光选光器件提供了良好的平台。这里,拓扑光分配设备包括拓扑雨弓、拓扑路由器和拓扑功率分配器。拓扑光选择器件主要指拓扑滤波器。4.1. 拓扑彩虹是Lu等人在合成维拓扑光子晶体系统中首次提出并实现的,它可以将第八十一章。在拓扑彩虹之前,人们更多的关注拓扑态的特殊边缘模式和丰富的物理现象,而不是拓扑光子态的多波长特性,这已经不能满足大数据时代对拓扑态的片上宽带信息处理的日益增长的需求。如图5a的第一行所示,通过采用单位晶胞中纳米结构的平移自由度将合成维度引入系统中。平移自由度的变形将导致拓扑在合成参数空间81中的状态。通过色散调制可以控制拓扑态的群速度,降低群速度可以实现拓扑态的慢光效应从图5a的第二行可以看出,基于综合维数的拓扑彩虹不受对称性、晶格类型、材料、波段的限制,易于片上集成。特别是在光频范围内,为基于全介质材料的片上多波长拓扑光子态提供了一种可靠的方法。第一个在纳米尺度上实现片上拓扑彩虹的实验是由Lu等人给出的,这在图5b82中示出。该器件由两个区域组成,分散区域(用蓝色表示)和阻挡区域(用红色表示)。利用色散区将不同波长的拓扑态划分到不同的位置。势垒区用于限制器件中的光。波长在普通光子晶体带隙内的光通过波导从右侧注入,并被设计的结构分散到不同的位置。SEM图像显示在图5b的第一列中。通过扫描近场光学显微镜测量的结果显示在图5b的第二列中。可以看出,不同波长的拓扑态局域在不同的位置。该工作为在纳米尺度上探测片上多频率拓扑光子器件提供了一种有效的方法。另一种实现拓扑彩虹的方法是沿着拓扑界面构建梯度结构。Zhang等人通过逐渐收缩和扩展晶格83设计了拓扑彩虹。通过对介质柱从六边形中心进行收缩和扩张,可以得到双重退化的狄拉克锥通过将伸缩格放在界面的两侧,可以得到拓扑梯度结构和拓扑彩虹俘获效应的模拟结果如图所示。 5 c.带隙内频率的光从左端口注入,并根据频率被分离到不同的Elsha-hat等人提出了一种通过在拓扑光子晶体波导中插入夹层梯度结构作为耦合区域来实现多拓扑彩虹的结构,如图5d84所示。此外,通过引入多线拓扑波导,耦合区可以产生独特的拓扑边态。介绍了一种具有低群速度、带宽展宽和鲁棒传输特性的单向拓扑保护慢光耦合态。由于多线拓扑波导中不同模式之间的耦合,在传输过程中耦合区域存在能量交换。此外,他们还表明,该系统可以重新配置为不同形状的彩虹,如图5d所示,这在实际应用中至关重要。此外,Li等人提出了一种基于砂芯双模拓扑波导的拓扑彩虹,该波导通过将非平凡光子晶体置于平凡光子晶体的两个区域之间而制成85。Mao等人使用valley光子晶体设计了拓扑彩虹86。他们逐渐调整界面两侧两个区域中圆柱之间的距离,以形成拓扑彩虹。最近 , Liang et al. 已 经 表 明 拓 扑 彩 虹 也 可 以 用 高 阶 拓 扑 角 模(HOTCM)87来设计。他们发现不同几何构型的HOTCM具有不同的色散特性,这是利用HOTCM设计拓扑彩虹的出发点Elshahat等人还报道了双向彩虹捕获,其基于捕获啁啾光子晶体作为两个边缘状态之间的夹层88来实现。该工作为构建拓扑纳米光子器件提供了审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)9月21日图 5|拓扑彩虹。a、基于平移综合维数的拓扑彩虹聚光器。合成空间色散图中的群速度分布二维拓扑光子晶体在平面波从左侧入射时的光强分布。转载请注明出处。第八十一章。© 2021美国物理学会。b、基于合成维数的片上拓扑彩虹样本和实验结果转载请注明出处。82个。© 2022自然出版集团。梯度拓扑光子晶体和不同频率下拓扑彩虹俘获器件的电场分布。转载请注明出处。83个。© 2021 Optical Society of America。宽带单向拓扑彩虹。转载请注明出处。第84条。© 2022 Wiley-VCH.光信息的捕获和释放是拓扑彩虹的拓扑彩虹在光信息的动态存取中起着重要的作用,它可以Mao等人设计了一种基于电光材料的拓扑彩虹,其折射率可以通过外部电压89来调节。谷型光子晶体提供拓扑保护4.2. 拓扑路由器拓扑路由器可以引导和路由光,通常携带不同的信息,进入不同的输出端口。传统的路由器,如基于微环的波长路由器是敏感的制造误差90。存在不同的拓扑机制来实现拓扑路由器,包括旋磁材料91、92、双各向同性光子晶体93、94和谷光子晶体67、95基于旋磁材料的拓扑光子晶体首先由Wang等人提出八、通过增加一个面外磁场场,时间反演对称性被明确打破。类似于量子霍尔效应,在带隙中存在拓扑保护的边缘态.传播方向由磁场方向决定。通过调节不同区域的磁场分布,He等人在2010年92. 如图 6a,YIG和氧化铝分布以形成交叉波导。通过调节YIG区域的垂直磁场方向,交叉波导支持不同的边缘模式,将不同的边缘模式引导到不同的输出端口。Skirlo等人探索了拓扑旋磁光子晶体中的大陈氏数现象91.利用所设计的大陈数光子晶体,他们设计了一个连续可调谐的功率分配器,如图所示。 6 b. 功率分配器是由金属壁制成的和两种Chern数为+1的拓扑光子晶体审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)10月21+图 6|拓扑路由器和功率分配器。a.基于旋磁材料的可调边态路由器转载请注明出处。92个。© 2010美国物理研究所。b.基于大陈数旋磁光子晶体的连续可调拓扑功率分配器。转载请注明出处。第九十一章。© 2014美国物理学会。基于双各向异性材料的拓扑自旋锁定分波转载请注明出处。93个。© 2016 Nature Publishing Group.d,基于拓扑双各向异性超材料的赝自旋极化功率分配器转载请注明出处。第94条。© 2015美国物理学会。例如,基于谷光子晶体的拓扑边缘状态路由器67、95、100。转载请注明出处。六千七百九十五一百。© 2018,2019 Nature Publishing Group.© 2019Wiley-VCH.h-i,基于谷光子晶体的具有任意比率的拓扑功率分配器97,99。转载请注明出处。97,99。© 2022 Wiley-VCH.© 2020 Optical Society of America。j.基于谷型光子晶体的拓扑波长路由器。转载请注明出处。96个。© 2021多学科数字出版研究所。基于旋磁光子晶体的波长滤波器转载请注明出处。101.© 2021美国物理学会。和2.光源激发的光模是两个边缘模的线性组合。当光通过金属障碍物时,两个边缘模会发生干涉。金属障碍物的高度影响了这两种模式的干涉方式,并调制这两种模式,以支持信道1和信道2,这是单模波导。除了旋磁光子晶体之外,光学双各向异性Meta材料也是实现拓扑光子系统61的候选者。双各向异性超材料的主要优点是其电磁响应参数的工程灵活性。双各向异性超材料的机制类似于量子自旋霍尔效应,它在没有外磁场的情况下支持带隙中的边缘态。基于双各向异性异向介质,Cheng等人实现了自旋锁定分波器,如图所示。6c93. 两种不同自旋陈数的拓扑光子晶体形成交叉波,指导。伪自旋下降边缘模式从端口1输入,并被分为端口2和4。几乎没有光传输到端口3。Chen等人提出了一种基于拓扑双各向异性超材料94的伪自旋极化功率分配器,如图6d所示。在他们的设备中,具有不同TE-TM偏振的光将沿着相应的拓扑通道被引导到不同的作为一种典型的拓扑光子晶体,通过空间对称性破缺,打开狄拉克点,可以构造出提供“谷”信息自由度的谷光子晶体其制作简单、无需外加磁场等优点为全介质材料拓扑保护光子器件的研究提供了一个良好的平台。基于谷型光子晶体,已经报道了各种各样的路由器和分路器,如图1所示。 6 e-j。Kang等人在2018年提出了一种山谷选择性拓扑路由器100。结构如图6e所示。连接处由审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022卢角C.等人Chip1,100025(2022)11月21三种谷型光子晶体。在端口1的波导中,支持K谷和K'谷处的自旋下降态当K和K'处的自旋下降态He等人探索了不同谷处边缘态的相涡特征,并利用他们的发现设计了一个拓扑谷-慈善锁定路由器,如图6f67所示。采用亚波长微盘作为相位涡旋发生器.从波导1(WVG1)/波导2(WVG 2)注入的光将在微盘中激发逆时针/顺时针相位涡旋,并耦合到不同的拓扑通道。图6f的右列示出了样品的微盘周围此外,Ma et al.还实现了一个路由器的谷扭结状态实验,如图6g95所示。结果表明,拓扑扭结状态对路由器中的急弯具有良好的鲁棒性也有用谷光子晶体制成的功率分配器他等人研究了所谓的ABC型超晶格的能带结构,并利用它设计了一个具有任意比率的功率分配器,如图6h99所示。ABC型超晶格由中间的平凡光子晶体和两侧分开的两种谷型光子晶体这两种谷型光子晶体具有相似的对称性,但在不同的点(第一布里渊区的K和K')上存在禁带图 6 h时,平凡光子晶体用绿色表示,其他两种光子晶体用蓝色和橙色表示。通过调节这三种光子晶体在结附近的位移,可以连续地改变分配给不同端口的光功率。Wang等人研究了具有非对称场分布的非对称谷光子边缘态97.他们证明,通过调整非对称谷光子晶体的几何参数,可以实现任意比例的功率分配器 图 作为示例,图6i示出了1:2功率分配器。Yuan等人将智能算法与谷型光子晶体相结合,设计了一种工作在光子晶体带隙96附近的片上拓扑纳米光子波长路由器。图的左面板。图6J示出了具有连接所设计的路由器的三个波导的测试平台,并且右侧面板是所设计的设备。用谷型光子晶体制作了In、O1和O2三个拓扑通道。输入光从左边缘进入结构O1和O2分别输出不同拓扑光子态波长的光.对中心区域进行拓扑优化。将智能算法引入片上拓扑纳米光子器件,为预测新结构和设计性能优良的器件提供了一种有效的方法。4.3. 拓扑滤光片是一种重要的光处理器件,它能滤除不需要的光,使目标光得到保护。Gu等人基于拓扑光子环谐振器102设计了波长选择性陷波和信道分出滤波器。利用硅基谷型光子晶体设计了三角两个拓扑波导在三角形的拐角处连接环满足共振条件的输入光在拓扑环中传播形成稳定模,导致透射谱出现周期性下降。Han等人研究了旋磁光子晶体中带隙的边缘态101。通过打破系统的电磁对偶对称性,边缘态出现了带隙。他们用这种光子晶体设计了一个波长滤波器,如图6k所示.左图的光谱表明,这种拓扑光子晶体对带隙频率的光有很好的滤波效果。他们设计的滤波器结构图如右图所示图 六千。此外,可以通过改变材料的电磁响应参数来调节滤波器带宽4.4. 机遇与挑战由于拓扑彩虹对不同波长光的操控能力,在片上光处理中具有良好的应用前景拓扑雨弓可以通过调节外电场实现捕获与释放的切换。然而,在进一步应用方面仍然存在挑战。第一个是大带宽。由于工作波长范围通常位于带隙内,因此带宽不大于带隙。其次,与外部磁场的动态不利于片上集成。为了使拓扑彩虹得到更广泛的应用,还需要在概念和理论的发展基于不同拓扑保护机制的路由器具有不同的特点。基于磁光效应的器件易于外磁场调谐,适用于有源可调谐器件。另外,基于谷型光子晶
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