我校物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室董建文教授研究團隊，研制出具有抗散射、大帶寬、高精度的硅基能谷光子晶體，并實現了光通信波段拓撲光子路由。該成果以“A silicon-on-insulator slab for topological valley transport”為題，于2019年2月20日在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）。
大數據和下一代通信技術對數據計算、信息處理和傳輸速度的要求不斷提高，新型光信息傳輸/處理的維度和自由度將成為后摩爾時代的關鍵技術核心。在傳統框架下，不少光傳輸問題受到根本物理原理制約而無法在集成光電子領域獲得實質性突破。長期以來，微納光子器件中的光波導大角度轉彎、制備誤差引起的缺陷和無序等，會產生強烈散射損耗，從而影響了光信息的傳輸性能。人們希望從物理源頭出發，能提出新型抗散射機制來獲得整體上的高保真光傳輸性能，這正好與近年興起的拓撲光子學（Topological Photonics）內涵相吻合。
拓撲學關注的是幾何物體在連續形變下保持的全局性質，它只關注物體之間的位置關系而不考慮它們的大小和形狀。對于拓撲光學結構而言，空間上缺陷和無序只會引起局部參數空間變化，不影響該空間的全局性質。因此，光子態的性質非常穩定，對微納制備誤差有較高的容忍度。盡管已有豐富的研究，但由于物理原理或材料屬性等方面的限制，大多數仍集中在微波宏觀尺度，難以直接推廣到光波段和微納光學系統，制約了拓撲光子學與微納光子學之間的融合發展。
針對這一難題，該研究團隊利用能谷-贗自旋耦合原理，在絕緣層硅（SOI，silicon-on-insulator）上制備出能谷光子晶體平板。該拓撲光學結構具有~40nm的特征尺寸，其光子模式（因工作于光錐以下）能夠較好地局域在平板內，抑制了平板外損耗。他們制備了直線形、Z形和Ω形等三種拓撲光學通道，測量出高透平頂透射光譜帶，證實了近紅外波段下拓撲保護的寬帶抗散射傳輸。采用硅微盤技術產生相位渦旋源，無需低溫和強磁等極端環境，實現了拓撲界面態的選擇性激發，實現了亞微米量級耦合長度的寬帶光子路由行為，驗證了能谷-贗自旋耦合等拓撲光學原理。
在硅基平臺上證實拓撲光子學原理，是目前國際學術前沿的聚焦度較高的領域之一。研究團隊過去在拓撲光子學原理方面的工作，多次引起國際同行關注，論文入選ESI高被引。該工作中，他們深入系統地發展出硅基拓撲光學等關鍵理論，攻克了數十納米加工工藝等關鍵技術，率先在硅基光子平臺與拓撲光子學之間建立了聯系，突破了單一自由度調控的傳統框架，提出了硅基中多自由度耦合的多維調控新機制，為微納光學與光子學、光二極管等關鍵光子芯片器件、混合集成光子學、高保真光量子信息光學、非線性光學等領域，提供了新方法和新思路。
該研究工作由董建文教授研究團隊獨立完成（中山大學為唯一署名單位），第一作者為何辛濤特聘副研究員，兩名研究生（梁恩濤和袁嘉俊）為共同第一作者。該工作得到教育部青年長江、國家優青基金項目、廣東省自然科學基金、廣州市科技計劃項目，以及光電材料與技術國家重點實驗室和物理學院的大力支持。
