近日，暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院丁偉研究員團(tuán)隊和北京理工大學(xué)路翠翠教授團(tuán)隊、北京大學(xué)胡小永教授團(tuán)隊合作在片上拓?fù)洳屎缙骷�研究中取得重要進(jìn)展，首次在納米尺度的芯片上觀測到顯著的拓?fù)洳屎缧��?yīng)。相關(guān)成果以“On-chip nanophotonic topological rainbow”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》。

以光子為信息載體的微納全光器件在光通信、光信息處理、光計算等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。器件尺寸越小，越有利于集成，但是，器件性能受結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差影響也會越大。拓?fù)涔庾討B(tài)由于受拓?fù)鋽?shù)守恒保護(hù)，與傳統(tǒng)光子態(tài)相比具有魯棒性和抗干擾的優(yōu)點。頻率作為光的自由度，是傳輸信息的基本載體，多頻率光傳輸是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息處理的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，可以利用光子晶體合成維度構(gòu)建出片上多頻率拓?fù)鋺B(tài)微納器件。這類“拓?fù)洳屎缙骷�”在�?jīng)歷結(jié)構(gòu)縮放、隨機誤差、材料缺陷或雜質(zhì)干擾時，只要光子晶體帶隙不閉合，器件性能就不會受影響。

然而，在納米尺度實現(xiàn)片上集成拓?fù)洳屎缙骷�面臨很大挑戰(zhàn)。一方面，光場分辨率需要極大地突破衍射極限（達(dá)到幾十納米量級）才能表征光通訊波段光子晶體單個晶格內(nèi)的電場分布。另一方面，在同一芯片上制備光子晶體結(jié)構(gòu)、傳輸波導(dǎo)、耦合結(jié)構(gòu)、激發(fā)端的過程十分復(fù)雜。北京理工大學(xué)路翠翠教授、暨南大學(xué)丁偉研究員、孫一之講師、北京大學(xué)胡小永教授等人利用自主開發(fā)的散射式近場光學(xué)顯微鏡，對合成維度光子晶體拓?fù)洳屎缂{米器件的表面電場給出了直接表征。每個光子晶格的電場分布清晰可見，不同頻率下的拓?fù)鋺B(tài)電場最大值出現(xiàn)在不同的晶格位置，在納米尺度芯片上實驗檢驗了顯著的拓?fù)洳屎缧��?yīng)，并且和仿真計算結(jié)果一致。

圖1 .(a)樣品電鏡圖；（b）樣品測試示意圖；（c）散射式近場光學(xué)顯微鏡實驗裝置圖。

散射式近場光學(xué)表征技術(shù)具有兩個顯著優(yōu)點：（1）樣品形貌和光學(xué)信號能夠同步測量，可以直接提供光子晶體不同位置處的電場振幅信號；（2）使用的原子力顯微鏡探針針尖具有小于20 nm的尺寸，能夠深入到單個光子晶體空氣孔中，并且提供極高的空間分辨率。此外，采用波導(dǎo)端面耦合方式提高激發(fā)效率，用同一根光纖收集樣品表面近場反射信號，可以同時具有高收集效率和低背景噪聲的優(yōu)勢。在納米尺度下實現(xiàn)片上集成的拓?fù)洳屎绻庾悠骷�，建立起拓�(fù)涔庾訉W(xué)前沿研究與多頻率硅基光子器件工藝的橋梁，為促進(jìn)拓?fù)涔庾訉W(xué)物理概念向光子芯片器件應(yīng)用的轉(zhuǎn)化提供了新的思路和實驗技術(shù)。

圖2.（a）樣品設(shè)計示例圖；（b）計算的不同波長在合成維度光子晶體表面的光強分布；（c）樣品原子力顯微鏡形貌圖；（d）實驗測得的不同波長在合成維度光子晶體表面的表面光強分布，不同波長被囚禁在界面不同晶格位置。

暨南大學(xué)孫一之講師和北京理工大學(xué)路翠翠教授、王晨陽研究生為共同第一作者，暨南大學(xué)丁偉研究員和北京理工大學(xué)路翠翠教授、北京大學(xué)胡小永教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究基金、中央高�；�本科研業(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30276-w