图. 通过操控拓扑荷演化实现单向辐射导模共振态
在国家自然科学基金项目（批准号：61922004）等资助下，北京大学彭超副教授课题组与麻省理工学院马林·索尔贾希克(Marin Soljačić)教授、宾夕法尼亚大学甄博助理教授合作，从拓扑光子学视角提出一种在单层硅基板上不依靠反射镜而实现定向辐射的新方法。研究成果以“拓扑保护的单向导模共振态观测（Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances）”为题，于2020年4月22日在《自然》（Nature）上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2181-4%20 。
高密度、高带宽、大容量的全光互联技术是高速通信系统、数据中心、高性能计算等领域的迫切需求。光链路的数据传输能力主要受制于链路损耗，而集成器件中的光辐射是损耗的主要来源之一，只有部分光辐射能被有效利用。因此，实现光的定向辐射是降低光链路损耗、提升光子集成规模的关键。目前，光的定向辐射大多通过分布式布拉格光栅反射镜、金属反射镜等镜面反射实现。然而z在片上集成时，不仅存在体积大、结构复杂、加工难度高等问题，而且还会引入额外的损耗和色散。因此，发展具有高辐射方向性、低插损、低色散、结构紧凑的定向辐射器件是实现光子集成的关键。
针对上述问题，研究人员从拓扑荷操控出发，在光子晶体平板中实现了单向辐射的特殊谐振态，即单侧辐射导模共振态（unidirectional guided-resonance, UGR）。他们通过倾斜侧壁同时破缺一维光子晶体结构的垂直对称性和面内对称性，使体系中连续区束缚态所携带的整数拓扑荷分裂为一对半整数拓扑荷，并在光子晶体平板上、下两侧表面产生大小不等的辐射。之后，通过调控侧壁倾角将一侧表面的成对半整数拓扑荷重新合并成整数拓扑荷，形成仅向一个表面辐射能量的UGR态。研究者利用自主发展的倾斜刻蚀工艺制备了一维光子晶体样品，实验上观测到非对称辐射比高达27.7 dB，较传统光栅设计提高了2个数量级，从而证明了UGR态的有效性。
本研究为实现辐射光场调控开辟了新的方向，有望显著降低片上光端口的插入损耗，推动高密度光互联和光子芯片技术的发展。