中大新聞網(wǎng)訊（通訊員雷世菁）中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董建文教授、陳曉東副教授研究團(tuán)隊(duì)基于合成平移維度，實(shí)現(xiàn)了一種片上拓?fù)涔庾泳w納米橋?yàn)V波器，其濾波波長(zhǎng)在寬波長(zhǎng)范圍（>300nm）內(nèi)可調(diào)且能保持單波長(zhǎng)濾波。該工作展示了合成平移維度在片上濾波器中的應(yīng)用實(shí)例，為其他片上微納光學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供了新方法。
作為微納光學(xué)器件（如波分復(fù)用器、光譜儀等）的基礎(chǔ)組成元件之一，片上濾波器能夠在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的精確控制。為了在微納尺度上實(shí)現(xiàn)更高效的光調(diào)控，研究人員一直在追求更為先進(jìn)的方法和材料。光子晶體因其獨(dú)特的光子能帶調(diào)控能力而成為設(shè)計(jì)片上濾波器的優(yōu)良平臺(tái)之一。通過(guò)在光子晶體中引入缺陷，研究人員可以實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)光的選擇性傳輸。然而，這種設(shè)計(jì)方法往往受到缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制，存在濾波波長(zhǎng)可調(diào)范圍窄和非單波長(zhǎng)濾波等問(wèn)題。
近年來(lái)，拓?fù)涔庾泳w因其獨(dú)特的控光方式（例如抗散射光傳輸、拓?fù)鋷吨械娜毕菽Ｊ降龋┒艿綇V泛關(guān)注，諸如魯棒光波導(dǎo)、拓?fù)湮⑶坏雀咝阅芷贤負(fù)涔庾泳w器件已經(jīng)被成功實(shí)現(xiàn)。然而，片上拓?fù)涔庾泳w器件的實(shí)現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性，主要由于片上微納結(jié)構(gòu)的材料類(lèi)型有限和可調(diào)參數(shù)范圍較窄。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于合成維度的新設(shè)計(jì)方法，該方法允許在高于幾何維度的高維參數(shù)空間中探索新型光場(chǎng)調(diào)控，有望消除材料種類(lèi)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制，為片上拓?fù)涔庾泳w器件設(shè)計(jì)提供新途徑。
研究團(tuán)隊(duì)將光子晶體納米橋中空氣孔的“平移參數(shù)”作為新的合成維度，提出了一種基于合成平移維度的片上拓?fù)涔庾泳w納米橋?yàn)V波器的設(shè)計(jì)方案。如圖1(a)所示，將不同平移量的光子晶體納米橋拼接形成拓?fù)涔庾泳w納米橋微腔。由于拼接處左右光子晶體具有不同的扎克相位（Zak phase），因此界面處支持局域腔模。進(jìn)一步改變拼接處右側(cè)光子晶體的平移量，從而實(shí)現(xiàn)了不同波長(zhǎng)的光輸出。基于合成平移維度設(shè)計(jì)的拓?fù)涔庾泳w微腔相較于基于缺陷結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)光子晶體微腔具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。如圖1(b)所示，基于缺陷結(jié)構(gòu)的微腔存在腔模波長(zhǎng)覆蓋范圍窄或非單波長(zhǎng)濾波等問(wèn)題。然而，基于合成平移維度的拓?fù)湮⑶唬ㄟ^(guò)空氣孔平移量的改變，微腔腔模可以覆蓋整個(gè)光子晶體禁帶帶隙（>300 nm，覆蓋光通信波段的大部分O波段，整個(gè)E，S，C波段以及大部分L波段）。且每個(gè)微腔僅支持單個(gè)腔模，可以實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)濾波。實(shí)驗(yàn)上，研究團(tuán)隊(duì)制備了具有不同平移量的片上拓?fù)涔庾泳w納米橋樣品，如圖1(c)所示的測(cè)量結(jié)果證實(shí)了片上拓?fù)涔庾泳w納米橋?yàn)V波器在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的選擇性單波長(zhǎng)濾波。
圖1.（a）具有不同平移量的三種片上拓?fù)涔庾泳w納米橋?yàn)V波器示意圖。（b）不同設(shè)計(jì)方法的微腔腔模色散圖。（c）不同平移量的片上拓?fù)涔庾泳w納米橋?yàn)V波器的實(shí)驗(yàn)測(cè)量透射譜。
該研究成果以“On-Chip Topological Photonic Crystal Nanobeam Filters”為題于2024年1月26日發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》上。中山大學(xué)為該成果的第一署名單位，中山大學(xué)物理學(xué)院劉墨點(diǎn)碩士生和陳厚宏碩士生為論文的共同第一作者，中山大學(xué)陳曉東副教授和董建文教授為共同通訊作者。上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的大力支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04363
