导读

近年来，拓扑光子学研究受到广泛关注。拓扑光学结构具有多自由度物理调控、CMOS工艺兼容等优势，已被运用于多种片上光子器件的鲁棒性设计。以往工作讨论拓扑光学鲁棒性主要关注大角度转弯、局部缺陷等人为引入误差，而当前存在一个亟待回答的共性问题：拓扑光学结构对常见的微纳制备误差的鲁棒性分析，以及对器件性能指标的影响。

近日，能谷拓扑光子晶体提出者回答了上述问题。他们利用能谷拓扑属性与镜面对称性，设计并实现了大工作带宽拓扑3dB耦合器，定量分析了该器件的等比例分束性能对制备中常见尺寸误差的容忍度。这项工作阐明了拓扑光子学提升微纳器件制备误差容忍度的物理机制，为鲁棒性片上光子器件设计提供了新思路。

该研究成果以“Broadband and fabrication-tolerant 3-dB couplers with topological valley edge modes”为题在线发表在《Light: Science & Applications》。本工作由中山大学完成，董建文教授、何辛涛副教授为通讯作者，汤国靖博士、陈晓东副教授为第一作者。合作单位包括上海交通大学，苏翼凯教授为通讯作者，孙璐副教授为第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委重点项目等资助。

研究背景

近年来，拓扑光子学因其在提升器件鲁棒性方面的能力，已被用于多种片上光子器件的功能演示。在众多拓扑光子系统中，能谷拓扑光子晶体因其物理调控自由度多、易于扩展到片上光子芯片等特点，常常被应用到鲁棒性片上光子器件研究当中。目前，已经在能谷拓扑光子晶体中实现了低损耗大角度转弯片上传输（https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0727），并以此为基础演示了激光器、滤波器、量子干涉、热光开关等多种光子器件原型。上述工作的鲁棒性分析研究，往往只关注大角度转弯、局部缺陷等人为引入误差的抗散射传输，缺乏定量考虑微纳制备中真正常见的误差。因此，亟需厘清拓扑光学原理对实用性光子器件及其关键性能指标的保护机制。

研究创新

鉴于此，研究人员基于能谷光子晶体设计了一种拓扑3dB耦合器。3dB耦合器是一类经典的光分束器件，要求在足够大的制备误差范围下，具有足够大工作带宽和稳定的等比例分束性能。传统3dB耦合器往往依赖于波导模式间干涉，导致了窄工作带宽与较低的误差容忍度。拓扑3dB耦合器综合运用能谷间弱背向散射（能谷拓扑属性）和结构镜面对称性等多种物理机制，使得新器件具有大工作带宽与高误差容忍度（图1）。理论分析表明，该拓扑器件的散射矩阵具有3dB分束功能，（光子禁带范围内）所有矩阵元素对波长不依赖。这就从物理原理层面确保了3dB分束比的宽带特性，以及对微纳制备误差的容忍度。

图1. 两种3 dB耦合器与分束比光谱示意图；(a)传统3dB定向耦合器仅有单个波长满足严格的 3 dB分束比，易受结构误差的影响而产生波长漂移；(b)拓扑3dB定向耦合器具有宽带的严格3 dB分束比，在不同误差下依然保持大工作带宽，表现出很好的鲁棒性。

实验上，器件刻槽或打孔的实际尺寸与版图中的尺寸很难完全一致，这是一种微纳制备中十分常见的误差。研究人员对上述两种耦合器的尺寸误差进行了定量分析，在引入±10 nm误差后（相对误差达到6.5% ~ 11.3%）实验测得拓扑耦合器在48 nm带宽内分束比仍保持在(3±0.6) dB以内。同等条件下，传统定向耦合器的带宽仅为0.3 nm。从而实验证明了拓扑耦合器对制备误差具有更大的带宽与更高的误差容忍度（图2）。最后，研究人员结合拓扑耦合器和布拉格光栅反射结构，提出了一种片上集成的拓扑干涉器原型，实验演示了拓扑干涉结构的距离测量功能及其对制备尺寸误差的鲁棒保护能力。

图2. 传统耦合器与拓扑耦合器的误差分析与对比。(a)拓扑3dB耦合器中尺寸误差示意图与分束后的出射光斑，不同误差下两个端口光斑的相对强度保持一致；(b) 拓扑3dB耦合器在引入不同误差后的分束比谱线，工作带宽为48 nm；(c)传统3 dB定向耦合器中尺寸误差示意图与分束后出射光斑，不同误差下两个端口光斑的相对强度有明显区别；(d) 拓扑3dB耦合器在引入不同误差后的分束比谱线，工作带宽为0.3nm；(b)与(d)中橙色区域为工作带宽，即±10 nm误差下分束比保持在(3±0.6) dB以内的范围。

总结与展望

本研究工作系统分析了能谷拓扑光学原理对器件关键性能指标的保护机制。有别于以往工作讨论大角度转弯、局部缺陷等人为引入误差，本研究聚焦于制备常见尺寸误差，从物理原理层面确保了尺寸误差鲁棒性，定量表征了拓扑3dB耦合器的宽带特性。文中综合采用多种物理原理的设计方法，为发展拓扑保护的微纳片上光子器件提供了新思路，并有望扩展到波导阵列、耦合谐振腔光波导、极化激元等体系。文中提出的拓扑耦合器在光计算、光谱与成像、AI逆向设计等领域，均有较好的潜在应用价值。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01512-3