超快激光直寫玻璃光子拓?fù)湫酒?/h1>

更新時間：2025-11-10點(diǎn)擊次數(shù)：293

受凝聚態(tài)拓?fù)鋯l(fā)，光子拓?fù)浣^緣體憑借其獨(dú)特的光學(xué)特性（如具有單向傳輸?shù)氖中赃吔鐟B(tài)）和豐富新奇的物理現(xiàn)象受到廣泛關(guān)注。超快激光直寫技術(shù)具有高精度的快速三維微納加工能力，可以在玻璃內(nèi)部形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，是研究和實(shí)現(xiàn)光子拓?fù)浣^緣體的重要手段，近年來實(shí)現(xiàn)了高階拓?fù)浣^緣體、弗洛凱（Floquet）拓?fù)浣^緣體、非厄米拓?fù)洹⒎蔷€性拓?fù)?、拓?fù)浔闷帧⒘孔油負(fù)浔Ｗo(hù)等新型拓?fù)淠Ｐ秃蛻?yīng)用，極大地促進(jìn)了拓?fù)涔庾訉W(xué)的研究進(jìn)展，并為片上集成光子芯片帶來了新的機(jī)遇。

之江實(shí)驗(yàn)室譚德志研究員團(tuán)隊(duì)綜述了最新拓?fù)涔庾訉W(xué)進(jìn)展與應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了在超快激光直寫平臺上實(shí)現(xiàn)的拓?fù)洮F(xiàn)象與應(yīng)用，展望了玻璃基光子拓?fù)浣^緣體的未來發(fā)展方向。

1.

超快激光直寫玻璃波導(dǎo)

如圖1（a）所示，超快激光直寫設(shè)備主要由超快激光光源、電控三維移動平臺和光束傳輸系統(tǒng)組成。高強(qiáng)度超快激光脈沖在玻璃聚焦區(qū)的多光子非線性吸收和雪崩電離可以改變聚焦區(qū)的微納結(jié)構(gòu)和折射率，樣品在三維移動平臺上移動形成波導(dǎo)。利用光束整形手段（如狹縫整形、散光束整形、可變形鏡光束整形等）和高脈沖重頻下的熱積聚效應(yīng)可以改善波導(dǎo)橫截面和波導(dǎo)界面，從而減小波導(dǎo)的傳輸損耗。

如圖1（b）所示，波導(dǎo)核心半徑隨著單光脈沖能量的增大和直寫速度的減小而增大，波導(dǎo)模場也隨之改變。均勻的大規(guī)模二維拓?fù)浣^緣體陣列加工可以對不同深度的球差進(jìn)行糾正或者對不同深度的波導(dǎo)使用不同的激光加工參數(shù)。高硼硅玻璃的較低工作點(diǎn)溫度（1300 ℃）和4 eV帶隙使得高頻熱積聚效應(yīng)十分顯著，提升了波導(dǎo)性能，所以近期的激光加工波導(dǎo)器件尤其是量子芯片主要選擇高硼硅玻璃。

圖1 超快激光直寫制備玻璃波導(dǎo)。（a）超快激光直寫加工平臺示意圖；（b）不同超快激光直寫脈沖能量和掃描速度條件下加工的玻璃波導(dǎo)橫截面的一維拉曼掃描和顯微鏡照片

2.

定態(tài)拓?fù)浣^緣體

激光直寫制備的光波導(dǎo)系統(tǒng)的傍軸（z軸）傳輸方程在數(shù)學(xué)形式上和薛定諤方程是等價的。在緊束縛模型近似下，波導(dǎo)陣列的傳播由波導(dǎo)的徑向（z方向）波矢量（等價于格點(diǎn)能級）和波導(dǎo)之間的耦合系數(shù)來描述。圖2（a~c）分別展示了一維Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型、二維光子石墨烯結(jié)構(gòu)和高階拓?fù)浣^緣體，定態(tài)意味著波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)在z軸沒有變化。

拓?fù)浣^緣體具有拓?fù)湎辔唬撓辔恢挥性诮Y(jié)構(gòu)參數(shù)的特定臨界點(diǎn)上才會發(fā)生相變，并伴隨著相關(guān)光學(xué)性質(zhì)的突然改變。拓?fù)涔鈱W(xué)性質(zhì)可以免疫結(jié)構(gòu)參數(shù)的不規(guī)則，受到拓?fù)浔Ｗo(hù)。

波導(dǎo)陣列的能帶指的是固定波長的陣列布洛赫波函數(shù)的側(cè)向(x,y方向)波矢量和徑向波矢量之間的對應(yīng)關(guān)系。對SSH結(jié)構(gòu)能帶的貝里相位進(jìn)行積分可得到Zak相位作為該結(jié)構(gòu)的拓?fù)洳蛔兞俊?/p>

光子石墨烯同樣具有受到Zak相位拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)，結(jié)構(gòu)的變形可以導(dǎo)致邊緣態(tài)的多種拓?fù)湎嘧儭０岩痪SSSH模型推廣可以得到二維二階SSH拓?fù)浣^緣體。三角形籠目晶格、菱形呼吸籠目晶格、凱庫勒（Kekulé）形變蜂窩結(jié)構(gòu)，旋錯缺陷也會出現(xiàn)局域化拓?fù)鋺B(tài)。

圖2 超快激光直寫制備定態(tài)拓?fù)浣^緣體。(a)一維SSH系統(tǒng); (b) 二維光子石墨烯結(jié)構(gòu)

3.

時變拓?fù)浣^緣體

定態(tài)的二維陣列同樣沒有打破時間反演對稱，不具備非零陳數(shù)，不能實(shí)現(xiàn)定向拓?fù)漭斶\(yùn)。弗洛凱理論描述了周期性時間調(diào)制下系統(tǒng)的動力學(xué)，激光直寫波導(dǎo)折射率分布在z軸的變化可以等效為時間調(diào)制。

如圖3（a）所示，Aubry-André-Harper（AAH）結(jié)構(gòu)變化足夠緩慢時，弗洛凱分析可以用絕熱演化近似。如圖3（b）所示，處于帶隙中間的拓?fù)鋺B(tài)的光子在絕熱近似下不會躍遷到體態(tài)能級而只會演變到下一個結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)的拓?fù)鋺B(tài)，在一個緩慢變化周期內(nèi)將光子定向轉(zhuǎn)移一個晶胞的過程被稱為Thouless泵浦。但絕熱演變需要足夠緩慢的參數(shù)演變以保證傳輸效率，會導(dǎo)致波導(dǎo)過長，影響器件集成化度。

當(dāng)調(diào)制速度足夠快時（大于波導(dǎo)間耦合系數(shù)），基于螺旋波導(dǎo)的石墨烯陣列傳播方程可以近似為具有量子反常（不需要磁場）霍爾效應(yīng)的定態(tài)Haldane模型[圖3（c）]。用變換后的等效定態(tài)能帶具有非零陳數(shù)。一維直波導(dǎo)陣列中的入射光可以選擇性地激發(fā)具有相同能級的邊緣態(tài)或體態(tài)[圖3（d）]。一般情況下的弗洛凱分析則更為復(fù)雜。通過J₁- J₂- J₃- J₄定向耦合交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)反常弗洛凱拓?fù)浣^緣體[圖3（e）]。這種結(jié)構(gòu)具有單向邊界態(tài)但能帶陳數(shù)為零，對復(fù)雜弗洛凱能帶，計算更為復(fù)雜的拓?fù)洳蛔兞坷@數(shù)被提出來歸類反常弗洛凱拓?fù)浣^緣體。

圖3 超快激光直寫制備時變拓?fù)浣^緣體。一維Thouless泵浦的(a) AAH模型和（b）對應(yīng)能帶圖；(c)一維稻草輸入結(jié)構(gòu)和2維螺旋波導(dǎo)蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合體; （d）圖3（c）結(jié)構(gòu)的手性邊緣態(tài)和體態(tài)的激發(fā)；(e)反常弗洛凱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的四耦合循環(huán)實(shí)現(xiàn); (f) 圖3（e）結(jié)構(gòu)免疫晶格缺陷的邊緣態(tài)

4.

非線性和非厄米

在非線性克爾效應(yīng)的影響下，玻璃的局部等效折射率會隨著局部光強(qiáng)的增大而變大。拓?fù)鋺B(tài)是系統(tǒng)的全局性特征帶來的，所以非線性效應(yīng)如何改變?nèi)滞負(fù)湫砸约笆欠衲軒硇碌耐負(fù)洮F(xiàn)象也成為了非線性拓?fù)溲芯康奶魬?zhàn)。如圖4（a）所示,非線性效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)定向耦合器的傳輸效率來改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)湎?。在一維非對角AAH結(jié)構(gòu)中非線性效應(yīng)可以導(dǎo)致分?jǐn)?shù)Thouless泵浦，證明了非線性對拓?fù)洳蛔兞康亩嗉壵{(diào)控能力。

非厄米系統(tǒng)動力學(xué)比厄米系統(tǒng)動力學(xué)更為復(fù)雜，宇稱-時間(PT)對稱、奇異點(diǎn)、外爾半金屬和非厄米趨膚效應(yīng)是幾個重要的概念。均勻損耗的非厄米系統(tǒng)可以用準(zhǔn)厄米系統(tǒng)來描述，所以一般非厄米意味著系統(tǒng)有非均勻的損耗或增益。波導(dǎo)的損耗可以通過波導(dǎo)抖動、散射點(diǎn)、斷點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。PT對稱破缺相和非破缺相會如何改變拓?fù)湎辔灰约霸撊绾味x非厄米系統(tǒng)的拓?fù)洳蛔兞渴欠嵌蛎淄負(fù)淅碚撗芯康闹攸c(diǎn)之一。如圖4（b）所示，PT對稱性破缺可以調(diào)制SSH陣列拓?fù)湫再|(zhì)。

圖4 拓?fù)湔{(diào)節(jié)（a）非線性拓?fù)洌╞）非厄米拓?fù)?/p>

5.

拓?fù)涔庾有酒?/strong>

利用飛秒激光直寫制備出的波導(dǎo)陣列已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光量子行走和玻色采樣。量子糾纏易受到環(huán)境噪聲和缺陷的影響產(chǎn)生退相干，量子糾纏態(tài)拓?fù)浔Ｗo(hù)有望促進(jìn)大規(guī)模集成量子器件、含噪聲量子信息處理的實(shí)現(xiàn)，以及量子計算、量子拓?fù)湮锢硌芯俊?/p>

如圖5（a），分布注入到SSH陣列兩個邊緣波導(dǎo)中的偏振糾纏雙光子可以在非平庸SSH陣列的邊緣態(tài)拓?fù)鋺B(tài)下保持糾纏。圖5（b）所示一維非對角AAH模型的拓?fù)浣^熱演變可以實(shí)現(xiàn)能見度高達(dá)93.1%的HOM（Hong-Ou-Mandel）干涉。非阿貝爾任意子被認(rèn)為可以用來實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎愫土孔蛹m錯。如圖5（c）所示，通過A、B、S三根直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)X的時變耦合在片上實(shí)現(xiàn)了非阿貝爾編織機(jī)制。

圖5 拓?fù)涔庾有酒╝）糾纏雙光子拓?fù)浔Ｗo(hù)（b）基于AAH波導(dǎo)陣列的拓?fù)淞孔痈缮嫫鳎╟）基于四波導(dǎo)時變耦合的雙模非阿貝爾編織結(jié)構(gòu)

6.

思考與展望

激光加工制備的光子拓?fù)浣^緣體在光學(xué)輸運(yùn)、調(diào)控、拓?fù)淞孔佑嬎愕确矫娑加胸S富的基礎(chǔ)研究和良好的應(yīng)用前景。

然而，玻璃波導(dǎo)受制于材料特性，較難實(shí)現(xiàn)光電、聲光、磁光等方式的調(diào)控，熱調(diào)控也面臨調(diào)制功率過大、調(diào)制速度較慢等應(yīng)用瓶頸。趨膚波導(dǎo)、鈮酸鋰波導(dǎo)以及多材料結(jié)合（如玻璃波導(dǎo)與硅基波導(dǎo)互聯(lián))是可能的解決途徑。激光直寫彎曲拓?fù)浣^緣體仍受限于低波導(dǎo)折射率差帶來的弱光束縛性。玻璃波導(dǎo)的彎曲半徑一般不能小于1 cm，否則就會有很大（>1 dB/cm）的彎曲損耗。提高波導(dǎo)折射率、降低彎曲損耗、減少波導(dǎo)長度可以使玻璃波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更加緊湊。相比基于超材料和微環(huán)結(jié)構(gòu)的光子拓?fù)浣^緣體，普通玻璃波導(dǎo)缺乏共振結(jié)構(gòu)，不能提升局部光強(qiáng)。增強(qiáng)基于玻璃波導(dǎo)的光子絕緣體的共振效應(yīng)可以拓寬其應(yīng)用場景，如激光產(chǎn)生、波長調(diào)制。

在新拓?fù)淅碚摵蛯?shí)現(xiàn)方面, 如非厄米系統(tǒng)、非線性效應(yīng)、三維(或更高合成維度)拓?fù)涞?，仍然需要進(jìn)一步的研究。

激光加工片上光子芯片研究處于剛起步階段，應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如非阿貝爾編織）提高系統(tǒng)抗干擾性，實(shí)現(xiàn)商用可行的量子計算、光子計算是重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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