廣泛應用於高性能光柵耦合器、高能效激光器及激光雷達光學天線等的單向輻射（unidirectional emission）技術，是實現大規模光子集成和光子芯片的關鍵技術之一。目前，此技術大多通過分佈式布拉格光柵反射鏡、金屬反射鏡等鏡面反射實現。然而，片上集成時，反射鏡不僅體積大、結構複雜、加工難度高，還會引入額外的損耗和色散。

針對這一集成光子器件研究中亟待解決的關鍵問題，北京大學信息科學技術學院電子學系、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室彭超副教授課題組與麻省理工學院物理學系MarinSoljačić教授、賓夕法尼亞大學物理與天文學系甄博助理教授合作，從拓撲光子學視角提出一種在單層矽基板上不依靠反射鏡而實現定向輻射的新方法。

相關研究成果以《拓撲保護的單嚮導模共振態觀測》（Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances）為題，2020年4月22日在線發表於《自然》（Nature，第580卷第467～471頁）；電子學系2015級博士研究生尹雪帆為第一作者，彭超為通訊作者。

彭超等人從拓撲荷操控出發，在光子晶體平板中實現了單向輻射的特殊諧振態，即單側輻射導模共振（unidirectional guided-resonance,UGR）態，在一維光子晶體中通過傾斜側壁同時破缺結構垂直對稱性和麵內對稱性，使體系中連續區束縛態所攜帶的整數拓撲荷分裂為一對半整數拓撲荷，並在平板上、下兩側表面產生大小不等的輻射。

此時，維持對稱性破缺，通過調控參數將一側表面的成對半整數拓撲荷重新合併成整數拓撲荷，形成不依賴鏡面僅朝一個表面輻射能量的UGR態。

通過操控拓撲荷演化，實現單嚮導模共振態

聯合課題組利用自主發展的傾斜刻蝕工藝製備樣品，實驗上觀測到非對稱輻射比高達27.7dB；這就意味著超過99.8%的光子能量朝一側定向輻射，較傳統設計提高了1～2個數量級，從而有力證明了單向輻射導模共振態的有效性和優越性。

該技術有望顯著降低片上光端口的插入損耗，大幅推動高密度光互連和光子芯片技術的發展。

近年來，在國家自然科學基金、教育部納光電子前沿科學中心等支持下，彭超與其合作者在高水平學術期刊相繼發表非厄米系統費米弧觀測（Science, 359, 1009～1012，並列第一作者，2018年3月）、實空間非阿貝爾規範場的合成和觀測（Science, 365, 1021～1025，第二作者，2019年9月）、拓撲保護下散射魯棒的超高品質因子導模共振態（Nature, 574, 501～504，通訊作者，2019年10月）等一系列融合拓撲物理學和非厄米物理學的重要研究成果，在為實現輻射光場調控開闢新方向的同時，也為集成光子芯片、光相控陣雷達、低功耗激光器等光子器件拓展了可期的應用前景。

人物介紹

彭超，北京大學信息科學技術學院電子學系、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室副教授。2004和2009年先後在北京大學取得物理學學士學位和通信與信息系統專業博士學位。2009至2011年在京都大學任日本學術振興會海外特別研究員（JSPS postdoctoral fellow）。專注於光纖傳感器件和系統、納米光電子學器件及應用的研究。2019年獲國家自然科學基金優秀青年科學基金項目資助。

來源：北大科研部、信息科學技術學院

排版：筱羽

原標題：《北大科研團隊Nature發表重要成果，有望大幅推動光子芯片技術發展》