近日，我校理学院应用物理系青年教师颜贝与南方科技大学等单位合作首次在谷光子晶体中实验实现了新型拓扑控制光子腔，为鲁棒拓扑光子器件增加了新的成员。相关成果以“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》上。我校理学院应用物理系青年教师颜贝为该论文的第一作者，武汉科技大学为论文第二完成单位。
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。最近的一篇理论工作[Phys. Rev. Lett. 125，213902 (2020)]提出了一种基于谷自由近守恒的新型拓扑控制光子腔，该方法是在能谷光子晶体（Valley photonic crystal，VPC）波导的末端放置一个反射镜来局域谷偏振边界态。向前传输的谷边界态，遇到反射镜后需要翻转它们的谷锁定动量以实现反射。值得注意的是，这种动量翻转涉及到由反射镜的几何形状控制的时间延迟。因此，当有效反射时间tr（延长时间延迟）足够长时，电磁能量被紧紧地限制在镜面表面，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。
在这项工作中，该研究团队在VPC中首次实验实现了基于谷自由度近守恒的拓扑控制光子腔。通过VPC波导终端放置金属反射镜来构建拓扑控制光子腔，金属反射镜的几何形状和方向决定了谷翻转率和反射时延。通过微波近场测绘和脉冲传输测量，直接观测了拓扑控制光子腔的电场分布增强和延迟时间。通过实验证明，不同的反射镜的方向和形状会导致谷折射率翻转所需的不同时间延迟，实现不同程度的能量限制和品质因子。这些结果拓展了拓扑光子学的研究范围，丰富了光学微腔的基本物理原理。
为了实现此拓扑控制光子腔，该研究团队在VPC波导的终端放置完美电导体（Perfect electric conductor，PEC）反射镜，如图1(a)和图1(f)-1(g)所示。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)]和扶手形[图1(g)]。图1(f)[图1(g)]显示了锯齿形（扶手形）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指数从K反转到K'。因此，谷翻转率等于拓扑控制光子腔的泄漏速率。有趣的是，已有研究表明，谷翻转率取决于微扰的拓扑结构，而锯齿形放置PEC由于谷守恒可以显著抑制谷间散射。相反，扶手形放置PEC具有更高的谷翻转率。因此，以锯齿形方向放置PEC于 VPC波导终端，使谷翻转率最小化，同时谷边界态紧密局域于PEC镜面表面，形成亚波长拓扑控制光子腔。
图1 谷光子晶体中拓扑控制光子腔的仿真设计
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，扶手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2 频域测量实现新型拓扑控制光子腔
图3 时域测量实现新型拓扑控制光子腔
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，相比于扶手形拓扑控制光学腔，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。
论文链接:
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.033803
