可用于片上光通信，上交团队联合发现“能谷边界态”新特性

当前，人们对光电子芯片的效率和功耗越来越关注。如何突破传统光学框架的束缚，更有效地提高集成光电子领域中光传输的容量、效率以及集成度，一直是光学研究者思考的问题。

2008 年，拓扑光子学的出现，为实现高度集成、抗散射传输的光子系统，提供了一个思路。拓扑光子系统可以实现大角度转弯光传输，且对工艺制备误差引起的缺陷和无序免疫等特点而被广泛地研究。

按照工作原理分类，二维拓扑光学系统可以大致被分为三类：

其一，具有打破时间反演对称性的光子拓扑绝缘体，这一类以光学类量子霍尔系统为代表；其二，通过改变电磁场的内部对称性或结构的空间对称性，且保留时间对称性的拓扑绝缘体，以光学类量子自旋霍尔系统和光学类量子能谷霍尔系统为代表；其三，在时间和/或空间上被周期性调制的 Floquet 拓扑绝缘体。

在这其中，由于具备易在片上实现、损耗小等优势，量子能谷霍尔拓扑绝缘体逐渐成为最有应用前景的拓扑光子平台之一。

为了更容易实现拓扑非平庸态的光学系统，减少其对材料、工艺或者外在条件的要求，实现多样的光场调控，学界开始对能谷光子晶体进行片上实现与研究。

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院苏翼凯教授、中山大学物理学院董建文教授、以及上海交通大学物理与天文学院袁璐琦副教授，合作发现了能谷边界态的一个新特性：高移相效率。

在相同的传播长度下，基于能谷光子晶体结构产生的相位涡旋，研究团队在波长为 1550nm 处，发现拓扑模式的光程大约为传统直波导中模式的光程的两倍。

后来，通过理论计算与仿真，他们发现在波长为 1550nm 时，且硅的折射率变化相同的情况下，能谷边界态的 π 相位变化是传统波导的 1.46 倍。

基于拓扑波导的高移相效率与对急转弯鲁棒等特性，课题组设计了一种超紧凑的 1×2 拓扑热光开关，并对拓扑开关进行片上通信的高速数据传输实验。

实验结果表明，他们设计的拓扑光开关的带宽比较宽，于是使用 132Gb/s 速率的高容量切换，验证了拓扑热光开关可以用作片上通信的基本功能器件。

与已报道的全介质宽带光开关相比，此次提出的拓扑热光开关的器件尺寸，是介质和半导体光开关中最小的，说明拓扑光子学在片上集成光子学的发展中具备较大的应用前景。

同时，该团队还测试了拓扑光开关的高速数据传输性能，验证了拓扑器件在光传输系统中具备稳定传输特性。所提出的基于拓扑移相器的开关，显示出优异的开关性能，为拓扑边界模式在光通信、集成光电子和光量子信息处理中的实际应用开辟了道路。

研究中，他们以能谷光子晶体为例，实现了超紧凑的拓扑光开关。由于基于能谷拓扑光子晶体具有抑制背向散射、高的移相效率的特性，可以构建紧凑的光计算网络。

从目前拓扑光子的特征来看，最有可能的应用前景是在片上光通信，因为它可以提高光计算与光传输的集成度。

近日，相关论文以《基于谷涡增强高效相移的超紧凑拓扑光子开关》（Ultracompact topological photonic switch based on valley-vortex-enhanced high-efficiency phase shift）为题发表在 Light: Science & Applications 上，王洪炜博士与中山大学博士生汤国靖是共同第一作者，苏翼凯教授、董建文教授、袁璐琦副教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）

据介绍，该工作从想法产生、到实验成功、再到论文被录用，大概耗时两年。

王洪炜表示：“效率还是比较高的。这得益于我的导师苏翼凯教授给我们制定了一套科研体系，我们在进行实验之前都需要填一个模板 PPT，需要把新想法的‘why、what、so what’说清楚。填好后，整个论文的逻辑已经非常清晰，然后再开始实验。这样模板可以用来指导后续工作，一旦有了实验结果，后续补充上去即可。”

图 | 王洪炜（左）与苏翼凯教授（右）（来源：资料图）

具体来说，2020 年 9 月，课题组在进行仿真拓扑光子晶体的能带时发现，其光程是以 60 拐角的形式在向前传播，这让他们联想到了慢光波导。

后来，该团队计算了不同折射率下的色散曲线，发现能谷拓扑波导的移相相率很高。通过理论计算与仿真，他们发现是能谷边界态中能谷涡旋态，让其具有这样奇特的特性。

尽管进行了一些仿真，但是王洪炜还没有从原理出发，去探究其中深层的物理意义。他说：“刚好组里的张永老师要去加工芯片，我就想趁着张老师的‘东风’，一起加工一批芯片，但当时我还没有把整体研究思路的 PPT 发给苏老师看。”

科研有时就是在争分夺秒，要让一个工作尽快公示与众，就必须加快进度。王洪炜的性子比较急，当天中午他就去苏翼凯的办公室门口“堵”他，想让他当时就看一下 PPT，以便及时批准实验。

“刚好他背着包出来，原来他要坐飞机出去开会，在我用诚恳的语气和他叙述完后，他答应我在机场会帮我看一下然后回复我。后来，下午我收到了邮件答复：‘Don't rush. Careful checking is needed。’看到邮件后我又仔细想了想，确实有些地方没有想清楚，比如说虽然我发现了这样的现象，但其物理原理和图像是什么还没有思考清楚！”王洪炜说。

后来苏翼凯开会回来，王洪炜立刻约他讨论，在其他合作者的帮助下，完全厘清思路之后，就开始着手实验。

王洪炜说：“在与苏翼凯教授以及合作者讨论完原理后，2021 年 4 月开始准备实验，初步的实验数据在同年 7 月得到，后来经过一系列优化，直到 2022 年 1 月得我们到了满意的实验结果。”有了实验数据之后，便开始撰写论文。

其还表示，当时也有考虑过先投到其他期刊，但他与导师反复考量后，觉得应该要支持国产期刊，而且此次工作也非常符合 Light: Science & Applications 的定位，是原理创新与实际应用的一个结合。

图 | 王洪炜（来源：王洪炜）

此外，王洪炜也对论文合作者表示感谢，他说：“尤其是董建文教授团队与袁璐琦副教授给他们提供的理论帮助，让其得以进行高效的理论分析、以及快速厘清其中的物理图像。还要感谢我们实验室的张永老师、孙璐老师和何宇博士的默默付出，以及其他同学的帮助。”

另据悉，拓扑光开关在未来量子光学领域内也有很多的应用场景，尤其是在多光子干涉等方面。下一步，他们准备验证拓扑光波导真正运用到片上光子计算与量子光学中。

参考资料：

1.Wang, H., Tang, G., He, Y. et al. Ultracompact topological photonic switch based on valley-vortex-enhanced high-efficiency phase shift. Light Sci Appl 11, 292 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00993-4

创新技术通过片上光通信实现前所未有的数据传输速率

在过去的几年里，每秒传输和处理的数据量激增。快速出现的技术，如高维量子通信、大规模神经网络和高容量网络，需要大带宽和高数据传输速度。实现它们的一种可行方法是用光互连取代电子系统中组件之间的传统金属线，即使用光而不是电来建立数据传输通道。

光互连可以通过模分复用(MDM)技术提供令人难以置信的高速度。由于精确设计的波导结构，光可以以称为“modes”的特定模式传播。由于多种模式可以同时在同一介质中传播而不会相互干扰，因此它们有效地充当单独的数据通道，从而提高了系统的整体数据传输速率。

然而，迄今为止报道的MDM系统的速度受到限制，这主要是由于器件制造中的缺陷导致波导的折射率变化。减轻缺陷的一种方法是通过优化结构和成分来仔细设计波导的折射率。不幸的是，当前可用的方法受到材料选择或由此产生的大电路占用空间的限制。

在此背景下，包括中国上海交通大学苏翼凯教授在内的研究团队试图开发一种耦合（或组合）不同光模式的新方法。正如他们在《先进光子学》上发表的研究报告所述 ，该团队成功地将这项技术应用于MDM系统，实现了前所未有的数据速率。

该研究的主要亮点是光模式耦合器的创新设计，这种结构可以操纵在附近总线波导中传播的特定光模式，例如承载总多模信号的纳米线。耦合器可以将所需的光模式注入总线波导或从中提取一种光模式，将其发送到不同的路径。

研究人员定制了耦合器的折射率，使其在存在制造误差的情况下在广泛的耦合区域中与所需的光模式强烈相互作用，从而实现高耦合系数。他们通过利用梯度折射率超材料（GIM）波导实现了这一目标。与通常的材料相反，GIM表现出沿着光传播方向连续变化的折射率。通过减轻波导的参数变化，这反过来又促进了各个光模式与纳米线总线之间的无缝且高效的转换。

通过级联多个耦合器，研究人员创建了一个16通道MDM通信系统，可同时支持16种不同的光模式（TE0 至 TE15）。在数据传输实验中，它实现了2.162Tbit/s的数据传输速率，这是迄今为止报道的单波长片上器件的最高值。

此外，该系统是使用与半导体器件制造兼容的方法制造的，例如电子束光刻、等离子体蚀刻和化学气相沉积。这使得该设计易于扩展并与当前可用的制造技术兼容。

总的来说，所提出的使用GIM结构的耦合策略可以提供急需的数据速率提升，特别是在大规模并行数据传输和计算很常见的领域。这可能会转化为硬件加速、大规模神经网络和量子通信方面的新基准。

这项研究9月13日发表在《先进光子学》上，DOI：10.1117/1.AP.5.5.056008

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