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简介

拓扑光子学，将拓扑物质的原理运用于光的传播控制上，通过巧妙设计的光子结构实现这一目标。研究人员通过设计具有特殊拓扑属性的纳米光子结构，展示了光沿边缘的稳定传播和在特定角落的局域化等非凡光学现象。这些现象不仅为开发具有新奇功能的光子设备提供了可能，还使这些设备在面对制造缺陷时展现出惊人的韧性。 本文简要介绍一篇最新发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的研究，该研究通过可编程集成光子技术实现了多种拓扑光子效应。文章首先回顾了光子学中的拓扑概念，并探讨了可编程硅基光电子技术的重要性。随后，将介绍这项工作中所创造的光子结构及其观测到的拓扑现象，并讨论这种技术未来的应用前景[1]。

拓扑光子学背景

拓扑光子学借鉴了凝聚态物理学中拓扑绝缘体领域的概念，在该领域中，奇特的电子带结构会在某些材料的边缘产生坚固的金属态。通过精心设计纳米光子结构，研究人员可以设计出 "拓扑光子绝缘体"，它能以不同寻常的方式沿边界和缺陷限制和引导光线。

光子学中拓扑效应的两个标志性特征是：

1.拓扑边缘态： 光的传播沿边缘被限制和引导，具有强大的抗反向散射能力。

2.高阶拓扑态： 光以一种稳健的方式在晶格的角落或其他缺陷处定位。

这些惊人的光学现象源于在精心设计的光子晶格中，布里渊区周围的相位/极化的非三维缠绕。因此，拓扑光子平台在构建新型片上光源、波导和传感器方面具有潜在用途，即使在制造不完善的情况下也能可靠运行。

然而，大多数拓扑光子技术演示都依赖于实现特定光子晶格设计的定制平台。一直缺乏重新配置拓扑结构和相关光学现象的能力。这正是可编程光子学概念大显身手的地方。

可编程纳米硅基光电子电路

可编程硅基光电子电路由可由外部计算机动态重新配置的波导和可调耦合器组成。例如，在集成硅光子学中，每个分支都带有移相器的马赫-泽恩德干涉仪网状结构可以对通过网状结构传播的光信号实现任意线性变换。

通过控制各个移相器，研究人员可以重塑光子电路并实时改变其功能，而无需制造新的芯片。利用这种方法已经展示了用于通信、计算和量子技术的复杂光电路。

现在，可编程拓扑光子学为使用相同的可重构纳米硅基光电子硬件实现不同的拓扑模型提供了新的可能性。在这项工作中，作者首次利用可调谐硅基光电子电路展示了拓扑边缘态和高阶角态。

光子 SSH 网格中的拓扑边缘态

在可编程硅基光电子网格上实现的第一个拓扑模型是苏-施里弗-希格（Su-Schrieffer-Heeger，SSH）晶格。SSH 晶格由交替存在弱键和强键的一维二聚体链组成（图 1a）。这种结构产生了一种拓扑相，支持链两端局部的稳健边缘态。

为了实现这一模型，研究人员配置了一个由可调光子耦合器组成的六边形网状结构，以创建一个由七个耦合光学谐振器（微岭腔）组成的链，如图 1b 所示。通过调节标有 "强 "和 "弱 "的耦合器，他们调制了谐振器之间的耦合率，以模拟 SSH 晶格。利用可调激光探测阵列，他们绘制出了钉在链一端的拓扑边缘状态（图 1c）。

改变强/弱耦合比可直接控制这种拓扑边缘态的定位和稳健性，这一点已在实验中得到验证。值得注意的是，相同的可重构硬件可以探索具有不同可调参数的 SSH 模型。

呼吸型Kagome格子中的高阶拓扑态

接下来，研究人员利用可编程硅基光电子纳米光子网格创建了一个展示独特拓扑现象——角落定位的二维“呼吸”Kagome格子结构。

呼吸Kagome格子由一个耦合谐振器阵列组成，这些谐振器以向上和向下指向的三角形模式排列，具有交替的耦合（图2a）。这种结构被预测支持高阶拓扑角落态，将光限制在角落处。

通过光子电路重新配置，团队模拟了具有强弱耦合的两种三角形定向的呼吸Kagome模式（图2b）。扫描晶格共振揭示了三个简并的角落态，光强烈局域在角落处，这是这种高阶拓扑的独特标志（图2c）。

值得注意的是，调节耦合比率可以控制角落态的简并和光局域化强度，而角落态频率保持固定。这些高阶拓扑属性通过重新编程虚拟光子网格直接在模拟中观察到。

讨论与展望

这项工作展示了可编程纳米硅基光电子平台如何为研究人员提供一个灵活的平台，利用相同的硬件研究各种拓扑效应。可重构光子电路不再局限于一种拓扑设计，而是能够灵活地研究不同类别的拓扑模型（一维、二维、高阶）、拓扑相变以及引入受控扰动。

展望未来，支持拓扑硅基光电子电路的可编程芯片将加速基础科学和应用的发展。在基础方面，可通过引入可调增益/损耗区域来探索量子拓扑现象和非赫米提趋肤效应。在应用方面，可重新配置的拓扑激光器、滤波器和传感器可以使用相同的多用途光子硬件来实现。

通过将可重新编程性引入拓扑硅基光电子学，这种新方法为一系列令人兴奋的科学和工程机会打开了大门。即时 "快速制作不同拓扑设计原型的能力有望成为未来进步的多功能平台。

参考文献

[1] On, M.B., Ashtiani, F., Sanchez-Jacome, D. et al. Programmable integrated photonics for topological Hamiltonians. Nat Commun 15, 629 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44939-3