近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授高振课题组在拓扑光子学研究领域取得重要进展，相关研究成果以“Realization of topology-controlled photonic cavities in a valley photonic crystal”为题发表在国际物理学顶级期刊Physical Review Letters。

光学微腔能有效地将光长时间限制在小体积内，在现代光子学中发挥着关键作用，从低阈值激光器、超小型滤光、光芯片、量子信息处理到光通信都有广泛的应用。传统的光学微腔包括法布里-珀罗腔、微环谐振腔和光子晶体腔等。近年来，具有鲁棒拓扑保护的拓扑光腔引起了广泛关注，并在拓扑激光器、集成光子学、光延迟线和量子光学等领域展现出了巨大潜力。最近，科学家提出了一种基于谷自由度近似守恒的新型拓扑控制光子腔[Phys. Rev. Lett. 125，213902 (2020)]，通过在能谷光子晶体（Valley photonic crystal，VPC）波导的末端放置一个反射镜实现谷赝自旋翻转来局域谷边界态。值得注意的是，这种谷赝自旋翻转的时间延迟由反射镜的几何形状控制。因此，当有效反射时间tr（谷赝自旋翻转时间延迟）足够长时，电磁能量被紧紧地约束在镜面表面，从而形成亚波长拓扑控制光子腔。然而，由于测量电磁场分布和延迟时间的挑战，这种新型拓扑控制光子腔仍然难以实验实现。

高振团队首次实验实现了这种新型拓扑控制光子腔并通过频域近场成像和时域脉冲传输测量，直接观测到拓扑控制光子腔的局域电场增强及拓扑控制的时间延迟。实验结果表明，不同拓扑的反射镜会导致谷赝自旋翻转所需的时间延迟不同，从而实现具有不同能量约束和不同品质因数的拓扑控制光学腔。该研究结果极大地拓展了拓扑光子学的研究范围，而且丰富了光学微腔的基本物理原理。

图1 谷光子晶体中拓扑控制光子腔

    如图1(a)和图1(f)-1(g)所示，研究团队在VPC波导的末端放置完美电导体（Perfect electric conductor，PEC）作为反射镜实现拓扑控制光子腔。当向右传播的谷边界态遇到PEC时，它有三个不同的散射通道，即VPC1-PEC界面、VPC2-PEC界面和VPC波导。根据PEC反射镜的方向，可考虑了两种类型：锯齿形[图1(f)]和椅形[图1(g)]。图1(f)[图1(g)]显示了锯齿形（椅形）终端所对应的超胞结构的色散，绿（蓝）线表示由VPC1-PEC界面（VPC2 -PEC界面）支持的平庸界面态的色散，且平庸态存在带隙 [图1(f)-1(g)中的橙色区域]，这表明在平庸界面态的带隙内的谷偏振边界态遇到PEC反射镜时，它不能通过上下VPC-PEC通道泄漏。最后一个散射通道是后向散射，需要拓扑边界态的谷赝自旋从K反转到K'。因此，谷赝自旋反射速率约等于拓扑控制光子腔的漏波速率。有趣的是，已有研究表明，谷赝自旋翻转速度取决于反射界面的拓扑结构，而倾斜放置PEC由于谷自由度近似守恒可以显著抑制谷赝自旋翻转。相反，垂直放置的PEC具有更高的谷赝自旋翻转速率。因此，以倾斜方向放置PEC于 VPC波导终端，使谷赝自旋翻转速率最小化，谷边界态将局域在PEC反射镜表面，形成亚波长拓扑控制光子腔。

图2 新型拓扑控制光子腔频域实验结果

如图2(a-c)所示，对于谷自由度近似守恒的锯齿形拓扑控制光子腔，模拟和测量的电场分布在VPC波导末端PEC附近展现出较大的电场增强，表明锯齿形的谷赝自旋翻转速率最小，因此具有很好的场约束和较高的品质因子。相反，如图2(e-f)所示，椅形终端的拓扑控制光子腔在靠近镜面附近没有明显的场增强，说明椅形拓扑控制光子腔由于其较高的谷赝自旋翻转速率而具有超低的品质因子。

图3 新型拓扑控制光子腔时域实验结果

最后，研究团队通过时域脉冲测量直接获得谷边界态在不同拓扑镜面上的反射延迟时间。图3所示，相比于椅形拓扑控制光学腔，锯齿形拓扑控制光子腔具有更长的镜面反射时间延迟，从而实验证明了该新型拓扑控制光子腔的物理机制。

南方科技大学博士后颜贝、暨南大学研究生廖宝亮、中山大学博士生石福隆和东莞理工学院副教授郗翔为论文共同第一作者，高振、南洋理工大学教授张柏乐、西湖大学助理教授刘癸庚及中山大学副教授陈晓东为论文共同通讯作者，南方科技大学为论文第一完成单位。该研究工作得到了国家自然科学基金委和南方科技大学等单位的大力支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.033803

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇

文字：颜贝

主图：丘妍

编辑：周易霖