近日，北京大學信息科學技術學院電子學系、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室彭超副教授課題組與美國麻省理工學院物理學系馬林·索爾賈希克教授、賓夕法尼亞大學物理與天文學系甄博助理教授合作，從拓撲光子學視角提出一種在單層硅基板上不依靠反射鏡而實現(xiàn)定向輻射的新方法。相關研究成果《拓撲保護的單向?qū)９舱駪B(tài)觀測》日前在線發(fā)表于《自然》。

單向輻射作為實現(xiàn)大規(guī)模光子集成和光子芯片的關鍵技術之一，廣泛應用于高性能光柵耦合器、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、金屬反射鏡等鏡面反射實現(xiàn)。然而，片上集成時，反射鏡不僅體積大、結(jié)構(gòu)復雜、加工難度高，還會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的關鍵問題，彭超等人從拓撲荷操控出發(fā)，在光子晶體平板中實現(xiàn)了單向輻射的特殊諧振態(tài)，即單側(cè)輻射導模共振態(tài)，在一維光子晶體中通過傾斜側(cè)壁同時破缺結(jié)構(gòu)垂直對稱性和面內(nèi)對稱性，使體系中連續(xù)區(qū)束縛態(tài)所攜帶的整數(shù)拓撲荷分裂為一對半整數(shù)拓撲荷，并在平板上、下兩側(cè)表面產(chǎn)生大小不等的輻射。

此時，維持對稱性破缺，通過調(diào)控參數(shù)將一側(cè)表面的成對半整數(shù)拓撲荷重新合并成整數(shù)拓撲荷，形成不依賴鏡面僅朝一個表面輻射能量的UGR態(tài)。聯(lián)合課題組利用自主發(fā)展的傾斜刻蝕工藝制備樣品，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(cè)定向輻射，較傳統(tǒng)設計提高了1~2個數(shù)量級，從而有力證明了單向輻射導模共振態(tài)的有效性和優(yōu)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(fā)展。