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新華社南京7月22日電（記者柯高陽）拓撲光子波導(dǎo)是下一代光量子計算、高速光通信及高集成度光子集成電路的關(guān)鍵使能技術(shù)。東南大學(xué)毫米波全國重點實驗室聯(lián)合南京大學(xué)、香港科技大學(xué)研究團隊近期取得重要原創(chuàng)進展，提出并實現(xiàn)了一種新型無絕緣體拓撲光子波導(dǎo)，構(gòu)建出拓撲光子的多通道“高速公路”。相關(guān)研究成果7月22日發(fā)表于《自然》雜志。
隨著光通信和光子計算不斷發(fā)展，如何在有限面積內(nèi)容納更多通道并減少反射和串擾，成為集成光子學(xué)的重要研究課題。拓撲波導(dǎo)可有效抑制光傳輸中的反射損耗，但需依賴不可導(dǎo)波的絕緣層提供拓撲保護，空間利用率受到限制。“傳統(tǒng)拓撲波導(dǎo)好比是一條被寬厚隔離帶包圍的專用道路，雖然車輛行駛穩(wěn)定，但真正用于通行的路面只占一小部分。”論文共同通信作者、東南大學(xué)毫米波全國重點實驗室教授崔曉晗介紹，如果能將這條道路改造為多通道緊密排列的“高速公路”，每個通道既傳輸自身信號、也是鄰近通道的“護欄”，無需額外的隔離層，將有效提高通行效率。
為實現(xiàn)這一目標，崔曉晗所在的跨校聯(lián)合團隊設(shè)計了四種特殊光子晶體——光子谷半準金屬，同時扮演波導(dǎo)和拓撲絕緣層的雙重角色。谷半準金屬按照特定順序排列后，形成四條空間上并行的單向通道，各通道協(xié)同工作，在保證拓撲單向傳輸?shù)耐瑫r，實現(xiàn)“高速公路”100%的空間利用率。
電磁仿真和微波實驗結(jié)果顯示，四個單向?qū)Рㄍǖ赖碾姶挪ㄍㄟ^60度、90度和120度急彎時仍能沿預(yù)定通道單向傳播，反向散射和通道串擾受到有效抑制。與傳統(tǒng)拓撲波導(dǎo)中光主要集中在狹窄界面附近不同，新結(jié)構(gòu)中的波可以分布在整個通道內(nèi)。通過改變通道的寬度和形狀，還可以使場分布發(fā)生展寬、壓縮或橫向移動，為在緊湊空間內(nèi)同時實現(xiàn)信號傳輸和波場形貌調(diào)控提供了新的可能。
“這項研究為兼顧穩(wěn)定傳輸與高密度集成的拓撲光子波導(dǎo)提供了新的底層物理方案，也為面向下一代高速光通信、片上光子計算的自主創(chuàng)新積累了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。”美國物理學(xué)會會士、香港科技大學(xué)教授陳子亭說。
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