北大科研团队首次实现完全可编程拓扑光子芯片

5 月 22 日消息，北京大学物理学院现代光学研究所 " 极端光学创新研究团队 " 的王剑威研究员、胡小永教授、龚旗煌教授团队与合作者近日提出并实现了一种基于大规模集成光学的完全可编程拓扑光子芯片。

研究人员通过在硅芯片上大规模集成可重构的光学微环腔阵列，首次实现了一种任意可编程的光学弗洛凯人造原子晶格，可独立且精确调控每个人工原子及原子 - 原子间耦合（包括其随机但可控的无序），进而在单一芯片上实现了包括动态拓扑相变、多晶格拓扑绝缘体、统计相关拓扑鲁棒性、以及安德森拓扑绝缘体等一系列实验研究。

该工作拓宽了拓扑光子学边界，使其首次具备了强可重构与可编程性，为研究拓扑材料科学、发展拓扑光子技术提供了一种全新途径。

相关研究成果今日（2024 年 5 月 22 日）以 " 可编程拓扑光子芯片 "（A programmable topological photonic chip）为题，发表于《自然・材料》（Nature Materials）期刊。

该拓扑芯片基于可重构的集成光学微环阵列，在 11mm × 7mm 的面积内单片集成了 2712 个元件，包括 96 个高品质因子微环阵列（品质因子均达到 105 以上）、300 个可任意独立调控的光学相移器与干涉仪（消光比达到 50dB 以上）。

该芯片首次成功实现了完全可编程的光学人造原子晶格。通过调控该拓扑芯片，可以实现人造原子间跃迁强度、跃迁相位的任意独立调控以及晶格势垒的任意构造。

研究团队对该拓扑芯片进行了快速实时的编程重构，实现了包括耦合强度和相位分别激发的弗洛凯拓扑绝缘体相变、统计性质相关的拓扑现象观测（拓扑鲁棒性和拓扑安德森相变的统计实验证明）、以及实现多种不同晶格结构下的拓扑绝缘体（一维 SSH 拓扑绝缘体、一维非厄米弗洛凯晶体、以及二维方形和蜂窝状晶格中的弗洛凯拓扑绝缘体）等不同功能。