我国学者在导模共振态研究方面取得重要进展

内容来源：中国科技论文在线

　　在国家自然科学基金面上项目（批准号：61575002）等的资助下，北京大学电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授与麻省理工学院物理学系Marin Soljačić教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系甄博助理教授合作，在导模共振态研究方面取得重要进展，从拓扑光子学视角提出一种抑制随机散射泄露的新方法。相关成果以“Topologically Enabled Ultra-high-q Guided Resonances Robust to Out-of-plane Scattering”（拓扑保护下散射鲁棒的超高品质因子导模共振态）为题，于2019年10月23日在Nature（《自然》）上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1664-7。

　　实现微小尺度下的光束缚是构造光缓存、光逻辑和光量子计算的基础。光场束缚一般通过光学微腔实现，即使允许光场逃逸，仍可在特定的干涉相消条件下实现光束缚，即连续区束缚。由于实际器件中的工艺误差，理想干涉相消条件被破坏，光束缚能力必然随之劣化。在光子学领域，连续区束缚态本质上是光子偏振在动量空间缠绕的涡旋，即携带整数拓扑荷的拓扑缺陷。由于拓扑荷处的偏振无法定义，可以通过拓扑方法研究光子体系的内在性质，使光逃逸被完全抑制。

　　基于上述思路，彭超副教授团队提出了一种新型的光子晶体平板结构，有效抑制了随机散射泄露，实现了光场束缚。该结构采用二维、四方晶格周期排布的圆孔，在布里渊区中心形成一个对称性保护、固定的整数拓扑荷，并被八个沿高对称线分布、可调的整数拓扑荷环绕；通过调节结构参数，使这八个拓扑荷连续演变，并渐进合并至布里渊区中心，进而形成动量空间里偏振涡旋的完美风暴。在这一拓扑演化下，光逃逸能量随波矢的渐进关系从平方率跃变为六次方率，即对于同样的波矢偏移，光逃逸能量大幅减弱。因此，即使在工艺误差引入随机波矢偏移时仍具有优异的光束缚性能。光束缚能量一般以品质因子（Q值）来衡量，即光子在体系中的存活寿命。在制备的样品中，利用谐振泵浦技术激发光子能带，实验观测到Q值达4.9×105，较传统设计提升了12倍，证明了渐进合并拓扑荷方法对抗随机散射泄露的有效性。研究工作为实现光场束缚开拓了新方向，亦在微腔光子学、非线性光学、低功耗激光器等领域具有潜在应用前景。

图1. 偏振涡旋携带的拓扑荷渐进合并与光逃逸能量渐进关系的跃变（平方率至六次方率）（a）光子晶体结构与能带；（b）动量空间中Q值分布与拓扑荷演化；（c）布里渊中心附近谐振模式Q值的渐进关系

图2. 谐振泵浦激发下的远场辐射等频率面（a）等频率面观测结果及给定波矢处谐振模式Q值；（b）合并拓扑荷和孤立拓扑荷结构Q值对比