中大新聞網訊（通訊員雷世菁）中山大學物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室董建文教授、陳曉東副教授研究團隊基于合成平移維度，實現了一種片上拓撲光子晶體納米橋濾波器，其濾波波長在寬波長范圍（>300nm）內可調且能保持單波長濾波。該工作展示了合成平移維度在片上濾波器中的應用實例，為其他片上微納光學器件的設計提供了新方法。

作為微納光學器件（如波分復用器、光譜儀等）的基礎組成元件之一，片上濾波器能夠在特定波長范圍內實現對光信號的精確控制。為了在微納尺度上實現更高效的光調控，研究人員一直在追求更為先進的方法和材料。光子晶體因其獨特的光子能帶調控能力而成為設計片上濾波器的優良平臺之一。通過在光子晶體中引入缺陷，研究人員可以實現特定波長光的選擇性傳輸。然而，這種設計方法往往受到缺陷結構參數的限制，存在濾波波長可調范圍窄和非單波長濾波等問題。

近年來，拓撲光子晶體因其獨特的控光方式（例如抗散射光傳輸、拓撲帶隙中的缺陷模式等）而受到廣泛關注，諸如魯棒光波導、拓撲微腔等高性能片上拓撲光子晶體器件已經被成功實現。然而，片上拓撲光子晶體器件的實現仍然具有挑戰性，主要由于片上微納結構的材料類型有限和可調參數范圍較窄。研究團隊提出了一種基于合成維度的新設計方法，該方法允許在高于幾何維度的高維參數空間中探索新型光場調控，有望消除材料種類和結構參數的限制，為片上拓撲光子晶體器件設計提供新途徑。

研究團隊將光子晶體納米橋中空氣孔的“平移參數”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撲光子晶體納米橋濾波器的設計方案。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撲光子晶體納米橋微腔。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。進一步改變拼接處右側光子晶體的平移量，從而實現了不同波長的光輸出。基于合成平移維度設計的拓撲光子晶體微腔相較于基于缺陷結構的傳統光子晶體微腔具有多個優勢。如圖1(b)所示，基于缺陷結構的微腔存在腔模波長覆蓋范圍窄或非單波長濾波等問題。然而，基于合成平移維度的拓撲微腔，通過空氣孔平移量的改變，微腔腔模可以覆蓋整個光子晶體禁帶帶隙（>300 nm，覆蓋光通信波段的大部分O波段，整個E，S，C波段以及大部分L波段）。且每個微腔僅支持單個腔模，可以實現單波長濾波。實驗上，研究團隊制備了具有不同平移量的片上拓撲光子晶體納米橋樣品，如圖1(c)所示的測量結果證實了片上拓撲光子晶體納米橋濾波器在寬波長范圍內的選擇性單波長濾波。

圖1.（a）具有不同平移量的三種片上拓撲光子晶體納米橋濾波器示意圖。（b）不同設計方法的微腔腔模色散圖。（c）不同平移量的片上拓撲光子晶體納米橋濾波器的實驗測量透射譜。

該研究成果以“On-Chip Topological Photonic Crystal Nanobeam Filters”為題于2024年1月26日發表在國際著名學術期刊《Nano Letters》上。中山大學為該成果的第一署名單位，中山大學物理學院劉墨點碩士生和陳厚宏碩士生為論文的共同第一作者，中山大學陳曉東副教授和董建文教授為共同通訊作者。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的大力支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04363