近日，北京大學信息科學技術學院電子學係、區域光纖通信網與(yu) 新型光通信係統國家重點實驗室彭超副教授課題組與(yu) 美國麻省理工學院物理學係馬林·索爾賈希克教授、賓夕法尼亞(ya) 大學物理與(yu) 天文學係甄博助理教授合作，從(cong) 拓撲光子學視角提出一種在單層矽基板上不依靠反射鏡而實現定向輻射的新方法。相關(guan) 研究成果《拓撲保護的單向導模共振態觀測》日前在線發表於(yu) 《自然》。

單向輻射作為(wei) 實現大規模光子集成和光子芯片的關(guan) 鍵技術之一，廣泛應用於(yu) 高性能光柵耦合器、高能效激光器及激光雷達光學天線等，目前大多通過分布式布拉格光柵反射鏡、金屬反射鏡等鏡麵反射實現。然而，片上集成時，反射鏡不僅(jin) 體(ti) 積大、結構複雜、加工難度高，還會(hui) 引入額外的損耗和色散。

針對這一集成光子器件研究中亟待解決(jue) 的關(guan) 鍵問題，彭超等人從(cong) 拓撲荷操控出發，在光子晶體(ti) 平板中實現了單向輻射的特殊諧振態，即單側(ce) 輻射導模共振態，在一維光子晶體(ti) 中通過傾(qing) 斜側(ce) 壁同時破缺結構垂直對稱性和麵內(nei) 對稱性，使體(ti) 係中連續區束縛態所攜帶的整數拓撲荷分裂為(wei) 一對半整數拓撲荷，並在平板上、下兩(liang) 側(ce) 表麵產(chan) 生大小不等的輻射。

此時，維持對稱性破缺，通過調控參數將一側(ce) 表麵的成對半整數拓撲荷重新合並成整數拓撲荷，形成不依賴鏡麵僅(jin) 朝一個(ge) 表麵輻射能量的UGR態。聯合課題組利用自主發展的傾(qing) 斜刻蝕工藝製備樣品，實驗上觀測到非對稱輻射比高達27.7dB；這就意味著超過99.8%的光子能量朝一側(ce) 定向輻射，較傳(chuan) 統設計提高了1~2個(ge) 數量級，從(cong) 而有力證明了單向輻射導模共振態的有效性和優(you) 越性。該技術有望顯著降低片上光端口的插入損耗，大幅推動高密度光互連和光子芯片技術的發展。