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董建文教授研究组在拓扑光子学方面取得重要进展: 从各向异性到全电介质拓扑光子晶体新方案

       光传输是当今信息时代的关键核心技术,其中光信息的高效传输变得越来越重要。众所周知,当满足光纤全反射条件时,光能在光纤中高效传输。但当光纤出现大角度弯折时,全反射条件失效会引起低效传输。另一方面,随着集成光子器件的小型化,光信号在亚波长波导中传输时,遇到大角度转弯,也会发生强烈散射而引起低效传输。而定向传输更是高效传输中不可或缺的重要技术之一。

       拓扑学(Topology)是研究几何图形或空间在连续改变形状后、某些性质不变的方法,如哥尼斯堡七桥问题(亦称一笔画问题)和四色问题等是拓扑学发展史上的著名问题。物理学家通过研究动量空间中电磁场的连续变化,发现用陈(省身)数符号不同的两类拓扑光子晶体、所构成的大角度转弯光波导,能实现宽带抗散射光高效传输。目前,人们提出了各种各样的拓扑光学超材料,并往简单结构、非磁性材料(通常光学材料的相对磁导率为1)、乃至全电介质材料方向发展。

       近日,中山大学物理学院董建文教授和陈晓东副研究员,在拓扑光子学方面取得重要进展。他们提出利用各向异性超材料实现受拓扑保护的抗散射传输。他们利用各向异性超材料分别独立调控横电模(TE)和横磁模(TM)的色散行为,打破了双狄拉克锥的四重简并点。随后,研究组提出了一种更为简单的新方案。他们在陶瓷组成的全电介质拓扑光子晶体中,通过微波近场扫描技术,直接观察到宽带抗散射传输。他们还利用微波涡旋源,观察到分光比从0.1至0.9连续可调的定向传输行为,实验证实了光子能谷体态的选择性激发。上述结果在微纳光子学、拓扑光子学、自旋光子学、以及下一代光信息的高效传输和处理等方面,带来了新的启示。

 

 

左图:各向异性拓扑光子晶体中色散独立调控和双狄拉克锥。

右图:全电介质光子晶体中宽带抗散射传输和可调定向传输。

 

       上述成果分别以“Accidental Double Dirac Cones and Robust Edge States in Topological Anisotropic Photonic Crystals”和“Tunable Electromagnetic Flow Control in Valley Photonic Crystal Waveguides”为题,于2018年10月正式发表在Laser & Photonics Reviews 12, 1800073 (2018)和Phys. Rev. Applied 10, 044002 (2018)上。两篇论文的第一作者是物理学院陈晓东副研究员,通讯作者是董建文教授。其中,Laser & Photonics Reviews由中山大学独立完成。Phys. Rev. Applied的共同第一作者是物理学院石福隆博士生,共同通讯作者是东南大学信息科学与工程学院程强教授。两项工作均得到教育部青年长江学者计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、光电材料与技术国家重点实验室等大力资助。

 

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.201800073 

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.044002