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    我國學者在導模共振態研究方面取得重要進展

    日期 2019-11-08   來源:信息科學部   作者:張麗佳 孫玲 潘慶  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金面上項目(批準號:61575002)等的資助下,北京大學電子學系、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室彭超副教授與麻省理工學院物理學系Marin Solja?i?教授、賓夕法尼亞大學物理與天文學系甄博助理教授合作,在導模共振態研究方面取得重要進展,從拓撲光子學視角提出一種抑制隨機散射泄露的新方法。相關成果以“Topologically Enabled Ultra-high-q Guided Resonances Robust to Out-of-plane Scattering”(拓撲保護下散射魯棒的超高品質因子導模共振態)為題,于2019年10月23日在Nature(《自然》)上在線發表。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1664-7。

      實現微小尺度下的光束縛是構造光緩存、光邏輯和光量子計算的基礎。光場束縛一般通過光學微腔實現,即使允許光場逃逸,仍可在特定的干涉相消條件下實現光束縛,即連續區束縛。由于實際器件中的工藝誤差,理想干涉相消條件被破壞,光束縛能力必然隨之劣化。在光子學領域,連續區束縛態本質上是光子偏振在動量空間纏繞的渦旋,即攜帶整數拓撲荷的拓撲缺陷。由于拓撲荷處的偏振無法定義,可以通過拓撲方法研究光子體系的內在性質,使光逃逸被完全抑制。

      基于上述思路,彭超副教授團隊提出了一種新型的光子晶體平板結構,有效抑制了隨機散射泄露,實現了光場束縛。該結構采用二維、四方晶格周期排布的圓孔,在布里淵區中心形成一個對稱性保護、固定的整數拓撲荷,并被八個沿高對稱線分布、可調的整數拓撲荷環繞;通過調節結構參數,使這八個拓撲荷連續演變,并漸進合并至布里淵區中心,進而形成動量空間里偏振渦旋的完美風暴。在這一拓撲演化下,光逃逸能量隨波矢的漸進關系從平方率躍變為六次方率,即對于同樣的波矢偏移,光逃逸能量大幅減弱。因此,即使在工藝誤差引入隨機波矢偏移時仍具有優異的光束縛性能。光束縛能量一般以品質因子(Q值)來衡量,即光子在體系中的存活壽命。在制備的樣品中,利用諧振泵浦技術激發光子能帶,實驗觀測到Q值達4.9×105,較傳統設計提升了12倍,證明了漸進合并拓撲荷方法對抗隨機散射泄露的有效性。研究工作為實現光場束縛開拓了新方向,亦在微腔光子學、非線性光學、低功耗激光器等領域具有潛在應用前景。

    圖1. 偏振渦旋攜帶的拓撲荷漸進合并與光逃逸能量漸進關系的躍變(平方率至六次方率)(a)光子晶體結構與能帶;(b)動量空間中Q值分布與拓撲荷演化;(c)布里淵中心附近諧振模式Q值的漸進關系

    圖2. 諧振泵浦激發下的遠場輻射等頻率面(a)等頻率面觀測結果及給定波矢處諧振模式Q值;(b)合并拓撲荷和孤立拓撲荷結構Q值對比




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