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董建文教授、陈晓东副教授研究团队在拓扑光子晶体研究方面取得重要进展
beat365中国唯一官方网站、光电材料与技术国家重点实验室董建文教授、陈晓东副教授研究团队基于合成平移维度，实现了一种片上拓扑光子晶体纳米桥滤波器，其滤波波长在宽波长范围（>300nm）内可调且能保持单波长滤波。该工作展示了合成平移维度在片上滤波器中的应用实例，为其他片上微纳光学器件的设计提供了新方法。
作为微纳光学器件（如波分复用器、光谱仪等）的基础组成元件之一，片上滤波器能够在特定波长范围内实现对光信号的精确控制。为了在微纳尺度上实现更高效的光调控，研究人员一直在追求更为先进的方法和材料。光子晶体因其独特的光子能带调控能力而成为设计片上滤波器的优良平台之一。通过在光子晶体中引入缺陷，研究人员可以实现特定波长光的选择性传输。然而，这种设计方法往往受到缺陷结构参数的限制，存在滤波波长可调范围窄和非单波长滤波等问题。
近年来，拓扑光子晶体因其独特的控光方式（例如抗散射光传输、拓扑带隙中的缺陷模式等）而受到广泛关注，诸如鲁棒光波导、拓扑微腔等高性能片上拓扑光子晶体器件已经被成功实现。然而，片上拓扑光子晶体器件的实现仍然具有挑战性，主要由于片上微纳结构的材料类型有限和可调参数范围较窄。研究团队提出了一种基于合成维度的新设计方法，该方法允许在高于几何维度的高维参数空间中探索新型光场调控，有望消除材料种类和结构参数的限制，为片上拓扑光子晶体器件设计提供新途径。
研究团队将光子晶体纳米桥中空气孔的“平移参数”作为新的合成维度，提出了一种基于合成平移维度的片上拓扑光子晶体纳米桥滤波器的设计方案。如图1(a)所示，将不同平移量的光子晶体纳米桥拼接形成拓扑光子晶体纳米桥微腔。由于拼接处左右光子晶体具有不同的扎克相位（Zak phase），因此界面处支持局域腔模。进一步改变拼接处右侧光子晶体的平移量，从而实现了不同波长的光输出。基于合成平移维度设计的拓扑光子晶体微腔相较于基于缺陷结构的传统光子晶体微腔具有多个优势。如图1(b)所示，基于缺陷结构的微腔存在腔模波长覆盖范围窄或非单波长滤波等问题。然而，基于合成平移维度的拓扑微腔，通过空气孔平移量的改变，微腔腔模可以覆盖整个光子晶体禁带带隙（>300 nm，覆盖光通信波段的大部分O波段，整个E，S，C波段以及大部分L波段）。且每个微腔仅支持单个腔模，可以实现单波长滤波。实验上，研究团队制备了具有不同平移量的片上拓扑光子晶体纳米桥样品，如图1(c)所示的测量结果证实了片上拓扑光子晶体纳米桥滤波器在宽波长范围内的选择性单波长滤波。
图1.（a）具有不同平移量的三种片上拓扑光子晶体纳米桥滤波器示意图。（b）不同设计方法的微腔腔模色散图。（c）不同平移量的片上拓扑光子晶体纳米桥滤波器的实验测量透射谱。
该研究成果以“On-Chip Topological Photonic Crystal Nanobeam Filters”为题于2024年1月26日发表在国际著名学术期刊《Nano Letters》上。beat365中国唯一官方网站为该成果的第一署名单位，beat365中国唯一官方网站刘墨点硕士生和陈厚宏硕士生为论文的共同第一作者，beat365中国唯一官方网站陈晓东副教授和董建文教授为共同通讯作者。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、广东省基础与应用基础研究基金等项目的大力支持。
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