可编程拓扑光子芯片
可编程拓扑光子芯片的研究进展
研究背景
近年来，拓扑绝缘体（Topological Insulators, TI）在物理学界引起了极大的关注，其丰富的物理机制和拓扑边界模式的潜在应用使得这一领域迅速发展。自量子霍尔效应（Quantum Hall Effect）的发现以来，拓扑相（Topological Phase）的研究经历了巨大的进步，涉及到维度性、对称性、非厄米性以及缺陷等多方面的内容。当拓扑学与光子学相遇时，拓扑光子学领域迅速崛起，成为一个独立的研究方向，革命性地推动了光学科学和技术的发展。拓扑光子学系统提供了噪声小、晶格几何约束少、光学材料多样性大、光学设备可控性高以及广泛适用的非线性光学效应等诸多优势。
研究问题
尽管拓扑光子设备展现了大量的拓扑现象及其实用性的潜在应用，例如拓扑光学延迟线、拓扑激光器、拓扑单光子源和纠缠光子源等，其实际应用中对高层次可编程性的要求迫切。控制光的拓扑相态，可以观察到丰富的拓扑现象并开发出具有鲁棒性的光子设备。而实现这种更高级别的控制需要设备具有高可编程性。
研究目的
本研究旨在展示一个完全可编程的大规模集成硅光子纳米电路和微腔的拓扑光子芯片。通过我们的复合系统中的光子人工原子及其相互作用的个别寻址与控制，可以任意调整结构参数和几何配置，从而观察到动态拓扑相变及各种光子拓扑绝缘体。通过我们这个通用拓扑光子芯片，可以快速重新编程以实现多功能，从而为基础科学和拓扑技术的广泛应用提供灵活和多功能的平台。
论文来源
该论文的主要作者包括Tianxiang Dai, Anqi Ma, Jun Mao等，他们分别来自北京大学物理学院中观物理国家重点实验室、新加坡南洋理工大学物理与应用物理部、中国科学院微电子研究所等多个研究机构。该研究成果发表在《Nature Materials》期刊上，为2024年4月19日接受，于2024年在线发布。
研究过程和方法
流程步骤
芯片设计与集成
- 拓扑光子芯片基于循环光子电路，能够在前向和后向操作光态。
- 每个微环模拟一个“原子”，Mach–Zehnder干涉仪（MZI）模拟可调的原子-原子相互作用，光子芯片模拟人工原子晶格。
实验设置
- 六单元格×六单元格的正方晶格嵌入了96个具有相同周长的微环，每个微环的固有品质因数约为105。
- 微环之间的耦合（耦合强度及相位）可通过MZI进行任意控制。
拓扑相变测试
- 通过调整耦合强度和共振相位两种参数，分别驱动不同类型的Floquet拓扑相变。
统计拓扑现象的验证
- 在所有微环上添加随机相位扰动，生成并测试具有精确控制无序的100个样本。
多种晶格结构的比较
- 测试和模拟不同晶格结构（如一维Su–Schrieffer–Heeger拓扑绝缘体，二维Floquet拓扑绝缘体）中的电子态分布和带隙结构。
实验方法与设备创新
研究中使用的拓扑光子芯片内嵌大量硅光子纳米波导电路和微环谐振器，基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造。每个微环作为人工原子，可以单独控制其共振相位以及相邻原子之间的耦合强度和跳跃相位。实验展示了高水平的可控性和可编程性，使得动态的拓扑相变、统计拓扑过程和多样的拓扑晶格实现成为可能。
研究结果
Floquet拓扑相变
- 通过调节耦合参数θ1−4和共振相位参数φ，成功实现了三带结构下的浮动相变。
- 在耦合强度驱动的拓扑相变中，当θ达到临界点时，带隙关闭并重新打开，导致拓扑边缘模式的消失。
- 调整共振相位φ时，通过改变相位φs，观察到不同带隙中拓扑边缘模式的消失和再现。
统计验证
- 在随机相位扰动条件下进行100个样本的测试，验证了拓扑边缘模式的鲁棒性。
- 实验结果表明，无序对拓扑边缘模式的高传输平稳区几乎没有影响，而对体模态则明显影响。
拓扑Anderson相变
- 在强无序下，通过精确控制相位无序，观测到拓扑Anderson相变，展示了低传输带隙中逐渐出现的非平凡相变。
多晶格结构测试
- 通过重新配置设备，成功展示了等效六边形晶格中的Floquet拓扑模式，并观测到了层叠的带隙和边缘模式。
研究意义
该研究展示了高度可编程的拓扑光子芯片，为实现动态拓扑相变、观测统计拓扑现象和实现多样拓扑晶格提供了灵活、高效的平台。这一工作原型提供了一个灵活、多功能和即时可编程的拓扑光子平台，不仅可以用于拓扑光学科学的基础研究，还可以对经典和量子信息处理与计算任务提供新的解决方案。
通过该具有独特双向操作功能的大规模光学谐振器晶格，能够模拟实际材料的复杂性质，为复杂拓扑材料的研究和预测其物理性质提供了一个灵活的硬件平台。
将来，其可扩展性和集成性通过设计更精妙的循环光子电路和电路布线电路，可能会实现更大规模的拓扑芯片，推动光子技术更广泛的应用。