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Nature Materials更新|探索可编程拓扑光子技术

简介

拓扑光子技术是令人兴奋的领域，将凝聚态物理学原理与光子学相结合，提供了控制和操纵光的独特方法。本文将向您介绍可编程拓扑光子学的概念，这是开创性的方法，允许动态重新配置和探索各种拓扑现象。我们将引用iPronics创始人José Capman教授的最新文章，讨论这一新兴技术的基本概念、最新进展和潜在应用。

了解拓扑光子学

拓扑光子学研究的是具有拓扑保护态的结构中的光行为。这些状态对缺陷和无序具有显著的鲁棒性，因此非常适合需要稳定和可预测光传播的应用。拓扑光子学的主要特点包括

1. 单向波导

2. 拓扑保护激光

3. 弹性光通信

图 1 | 用于拓扑重组的特定应用可编程光子芯片。

a. 二维网状结构，突出显示一个单元。左侧插图详细说明了主要元件和偏置参数。右侧插图显示了单元谐振器的两种工作模式：

模式 1：带隙存在于体模和边模，阻止传播。
模式 2：带隙只适用于体模；边模可以传播。

b. 左侧面板：无拓扑保护区域的网格。右图：为边缘模式设置了拓扑保护外围的网格。对网格中的单元状态进行编程，可为边缘模式建立拓扑保护区域。

c. 对网格中的单元状态进行随机编程，可实现不同的实现方式，以便在收集数据后进行统计分析。

灵活性的挑战

传统的拓扑光子器件由于缺乏灵活性和在单个 "原子 "层面对光的拓扑相位的精确控制而受到限制。这种限制阻碍了对各种拓扑现象的探索，也阻碍了用于统计分析的随机实现。

进入可编程拓扑光子学

最近的进步促成了高度可编程拓扑光子芯片的发展。这些芯片具有前所未有的控制性和灵活性，使研究人员能够动态地重新配置拓扑状态，探索各种现象。让我们深入了解这项技术的关键组成部分和原理。

构件

1. 硅基光电子电路：可编程拓扑光子学的基础是使用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术制造的硅基光电子芯片。

2. 微环谐振器：芯片由耦合微环谐振器的二维晶格组成。每个单元格包含

- 一个 "原子"微环谐振器

- 连接原子和相邻单元的两个 "链接 "环

3. 热光调谐：通过热光效应实现相位调谐，从而精确控制芯片内的光传播。

主要特点和功能

大规模集成：芯片集成了大量微环谐振器单元，可实现复杂的拓扑结构。
独立控制：每个单元都可以独立控制，从而可以对光的拓扑特性进行微调。
快速可编程：芯片可以快速重新配置，以探索不同的拓扑现象，而无需进行物理修改。动态重
配置：研究人员可以在运行过程中动态改变芯片的拓扑特性，从而实现对相变和其他现象的实时研究。

实现拓扑状态

为了创建和操纵拓扑状态，研究人员可以对芯片进行编程，以实现特定的配置：

带隙创建：通过调整谐振器之间的耦合强度（θ_n）和连接相位（φ_Ln），研究人员可以为体模和边模创建带隙。
边缘模式传播：可以对芯片进行编程，允许边缘模式传播，同时保持体模的带隙，为光创建拓扑保护路径。
随机实现：通过对网格中单元的状态进行随机编程，研究人员可以实现各种配置，以便进行统计分析。

应用与实验

可编程拓扑光子芯片可用于广泛的实验和应用：

1.动态相变：研究人员可以通过逐渐改变芯片的配置，研究拓扑绝缘体如何在不同相位之间转换

2.统计现象：由于能够快速实现随机实现，因此可以收集大量数据集来研究统计拓扑现象。

3.多种多样的晶格配置：通过在同一芯片中编程不同的晶格配置，可以实现不同类别的拓扑绝缘体。

4.稳定的光传播：拓扑保护态可用来创建用于通信和信号处理的弹性光通路。

5.拓扑激光：通过加入增益介质，芯片可用于创建拓扑保护激光系统。

图 2：Su-Schrieffer-Heeger 模型。

a. 这个一维晶格也被称为二聚链，其特点是位点之间的弱（w）和强（v）耦合交替出现，并以单元格分组。第四个单元格被圈起来，左右边缘区域分别用紫色和绿色阴影表示。

b. 在光子学中，这可以通过硅波导谐振器来实现，输入耦合常数为 k_in，强耦合常数为 k_s，弱耦合常数为 kw。

c. 参考文献展示了一种可重新配置的 Su-Schrieffer-Heeger 模型，该模型采用可编程波导网，由七个谐振器组成的二方晶格排列，其中包含可调谐激光器（TL）和光电探测器（PD-n）。

可编程光电子电路的优势

在拓扑光子学中使用可编程光电子电路有以下几个好处：

1. 规模经济：标准化制造工艺可降低成本并提高一致性。

2. 降低非经常性工程成本：一个芯片设计可用于多个实验和应用。

3. 灵活性：相同的硬件布局可模拟内部参数随时间变化的各种动态系统。

4. 快速原型设计：研究人员可以快速测试不同的拓扑配置，而无需多次制造运行。

挑战与未来方向

尽管可编程拓扑光子学前景广阔，但仍有一些挑战需要解决：

1. 可扩展性：增加可调元件的数量（最好超过 1000 个），以实现更复杂的拓扑系统。

2. 降低损耗：通过有效设计基本构件或加入光放大器，将传播损耗降至最低。

3. 控制和监测：开发有效的技术层堆栈，以精确控制和监测芯片状态。

4. 软件开发：创建用户友好型软件工具，以实现资源优化和非专业人员的灵活编程。

结论

可编程拓扑光子学代表着我们在复杂系统中操纵和研究光的能力的重大进步。通过将拓扑物理学原理与可编程光子电路的灵活性相结合，研究人员现在拥有了探索各种现象和开发新型应用的强大工具。

随着该领域的不断发展，我们有望看到芯片可扩展性的提高、性能的改善以及更复杂的控制系统。这些进步将为基础物理学的新发现以及光计算、量子信息处理和先进通信系统等领域的创新应用奠定了基础。

软件定义的拓扑光子学时代才刚刚开始，它有望彻底改变我们对复杂材料和设备中光的理解和控制。随着研究人员不断突破这项技术的极限，我们可以期待着令人兴奋的发展，这些发展将塑造光子学和相关领域的未来。

参考文献

[1]Capmany, J., Pérez-López, D. Programming topological photonics. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01932-x