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為光流塑型,無論是束縛在物質內部的局域場,還是在自由空間中傳輸的結構光,都是現代整合光子學的重要課題。多通道、可程式設計的光互聯器件的發展,使得光子整合線路(PICs)成為電子學中積體電路的潛在替代方案,突破了從光波到微波範圍內的處理速度、工作頻寬和效率的限制。然而,隨著片上覆雜度的提升,PICs在長期穩定性以及製造過程中的缺陷問題上,面臨著巨大挑戰。因此,如何保持PICs的工作穩定性,成為其實際應用的關鍵。
隨著資訊化社會的不斷發展,PICs需要具備更高的通道數和更復雜的架構。拓撲光子學的興起,因其抗缺陷和散射等的獨特優勢,可能為這一領域帶來突破性進展。然而,目前基於拓撲疇壁傳播光訊號的PICs主要依賴於二維微結構,並遵循體–邊對應原則。這種方法通常只能支援有限數量的邊緣態,從而在一定程度上限制了PICs的通道容量和工作頻寬。因此,近年來研究人員開始關注雜化拓撲效應,以實現同一系統中多種拓撲現象的共存,例如基於量子反常霍爾效應和谷霍爾效應的雜化拓撲光子晶體,透過打破時間反演對稱性和空間反演對稱性,可產生多頻段的邊緣通道。然而,由於此類結構通常需要在金屬表面刻蝕介質圖案,並且受限於磁光效應較弱等問題,其發展仍面臨諸多挑戰。
近期,南京大學固體微結構物理國家重點實驗室王漱明教授、祝世寧院士帶領的超構表面團隊聯合中國科技大學蘇州研究院蔣建華教授團隊圍繞雜化人工微結構體系的拓撲效應及其應用展開了研究。他們透過將一維動量空間和二維元胞取向角空間構建為合成維度,提出了一種基於合成雜化維度的、可配置的拓撲光子多晶。與上述所提到的雜化拓撲光子晶體不同,這種由取向可調的橢圓單元構成的介質超構表面,依賴於贗自旋-谷霍爾效應的耦合機制。這一設想為同時調控多頻率、自旋和色散群速度提供了一個通用平臺,實現了對光子態的多維度操控。
此成果已經發表於《國家科學評論》2025年第6期,標題為 “Configurable Topological Photonic Polycrystal Based on Synthetic Hybrid Dimension”, 王漱明教授、蔣建華教授和祝世寧院士為共同通訊作者。

圖1. (A,B) 拓撲多晶的結構設計及其在合成雜化空間的頻率超曲面分佈。(C,D) 在某一特殊取向角θ=135°和Δθ = 45°時的超胞投影能帶。
研究團隊提出了一種與結構取向角相關的微擾理論,用於快速計算和調節光子帶隙。由於贗自旋和谷晶格都與取向角密切相關。不同的取向角會導致能帶的微妙偏移,從而有效調節“質量項”。為了更全面地捕捉這一現象,他們結合所提出的標量微擾理論,並將取向角作為構建合成維度的引數。針對某一種光子晶格,透過將二維布洛赫動量與一維取向角結合,構建了一個三維合成維度,從而能夠計算拓撲不變數作為取向角的函式。這一結果為理解系統的拓撲特性提供了一個深刻的理論工具。然而,在兩種拓撲效應耦合之後,這一雜化維度空間取決於兩種取向角和沿著疇壁的一維動量空間。透過在雜化維度中觀察,他們展示了體態、邊緣態和角態如何隨取向角變化。這一精細化分析將闡明雜化拓撲多晶框架如何實現魯棒的、可按需調控的光子功能。
同時,研究者們定義了局域品質因子QL——對帶隙內的雜化本徵模進行了特殊處理,透過積分目標頻率處的局域態密度,定義的一種量化描述方式,以評估此類雜化拓撲器件的效能。

圖2. 超構多晶線路中雜化拓撲邊界態和角態的觀測。(A) 拓撲多晶光子線路的示意圖。(B) 本徵值計算結果,插圖顯示了 QL分佈。(C) 於 P1 和 P2 處分別激發源時的實驗測得透射譜。(D) 在 VPC 和 PPC 介面處實驗觀測到的八個雜化拓撲邊緣態。(E) 在 P3 和 P4 處激發時實驗觀測到的雙頻段雜化拓撲角態。
作為驗證,他們設計了雜化拓撲多晶光子積體電路,並在實驗中成功實現了沿介面分佈的高對比度多頻帶邊緣態和高階角態。該方法利用多頻段手性邊緣通道,實現片上邏輯閘、耦合器及高密度光通訊,同時支援超小模式體積和多樣化角態的多頻段雷射器的開發。此外,基於取向依賴的光子晶格概念,可進一步實現主動拓撲器件的可重構與可程式設計操作。該研究展望未來探索雜化拓撲多晶的非線性效應,以增強其多模態和多頻段能力,為經典與量子光子學的應用奠定基礎。
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