我国科研人员首次实现完全可编程拓扑光子芯片

近日，北京大学物理学院现代光学研究所“极端光学创新研究团队”的王剑威研究员、胡小永教授和龚旗煌教授团队与合作者提出并实现了一种基于大规模集成光学的完全可编程拓扑光子芯片。研究人员通过在硅芯片上大规模集成可重构的光学微环腔阵列，首次实现了一种任意可编程的光学弗洛凯人造原子晶格，可独立且精确调控每个人工原子及原子-原子间耦合（包括其随机但可控的无序），进而在单一芯片上实现了包括动态拓扑相变、多晶格拓扑绝缘体、统计相关拓扑鲁棒性、以及安德森拓扑绝缘体等一系列实验研究。该工作拓宽了拓扑光子学边界，使其首次具备了强可重构与可编程性，为研究拓扑材料科学、发展拓扑光子技术提供了一种全新途径。2024年5月22日，相关研究成果以“可编程拓扑光子芯片”（A programmable topological photonic chip）为题，在线发表于《自然·材料》（Nature Materials）期刊。

拓扑绝缘体因其非平凡能带结构与丰富物理机制，以及拓扑模式的潜在应用而受到广泛关注。人工拓扑量子体系通过构筑可控的结构与器件，有望模拟拓扑材料物性，观测新奇拓扑物理现象，实现新型拓扑量子器件等。常见的人工拓扑量子体系包括光学、冷原子、离子与超导等体系，其能力通常体现在全局可调控与单人工原子独立可调控两方面，而后者可充分出发挥人工系统的独特优势。近年来，拓扑光子学的研究取得了显著进展，多种丰富的拓扑现象已在光学体系中被实验观测到，并促进了高鲁棒光子器件的快速发展。北京大学团队前期在基于集成光学微环腔阵列的人工拓扑量子体系中，实现了无源的“拓扑保护的量子纠缠光源”(Nature Photonics16, 248-257 (2022))，利用全局可调控观测到了“非线性调控的快速非厄米拓扑相变”(Nature Physics20, 101–108 (2024))。单人工原子独立可调控的拓扑器件在真实光学体系中尚未实现，在其他人工量子体系也存在实验挑战。

图1. 可编程拓扑光子芯片结构示意图。控制芯片编码出“@PKU”的实空间光场分布。

在本工作中，北京大学研究团队与合作者通过将大规模硅基集成光学与拓扑光学相结合，成功实现了一种完全可编程的拓扑光子芯片。该拓扑芯片基于可重构的集成光学微环阵列，在11mm×7mm的面积内单片集成了2712个元件，包括96个高品质因子微环阵列（品质因子均达到105以上）、300个可任意独立调控的光学相移器与干涉仪（消光比达到50dB以上）。该芯片首次成功实现了完全可编程的光学人造原子晶格。通过调控该拓扑芯片，可以实现人造原子间跃迁强度、跃迁相位的任意独立调控以及晶格势垒的任意构造。研究团队对该拓扑芯片进行了快速实时的编程重构，实现了不同的功能，包括耦合强度和相位分别激发的弗洛凯拓扑绝缘体相变、统计性质相关的拓扑现象观测（拓扑鲁棒性和拓扑安德森相变的统计实验证明）、以及实现多种不同晶格结构下的拓扑绝缘体（一维SSH拓扑绝缘体、一维非厄米弗洛凯晶体、以及二维方形和蜂窝状晶格中的弗洛凯拓扑绝缘体）等。

图2. 环间耦合强度调控的弗洛凯拓扑相变过程。(a)元胞可调参数设置。(b)耦合强度变化过程中透射谱线的变化。虚线标示出了非平凡带隙的边界。(c-f)拓扑相变前后的透射谱线以及对应的投影能带。(g-k)不同模式的光场分布实空间红外成像。

论文三名国际匿名评审人对本项工作给予了高度评价，并指出：“这项工作证明了集成拓扑光子芯片的全能性，是本领域一项重大技术突破。我认为该拓扑光子芯片代表了本领域最前沿的研究成果，也是迄今为止最为全面全能的可编程拓扑光子器件”。

本工作所展示的灵活且快速可编程的拓扑光子芯片，为模拟拓扑材料并预测其物理性质提供了一种全新的硬件平台，并支持对包含无序、缺陷和非均匀介质的真实材料体系的动态模拟。研究团队认为，大规模硅基集成光子技术结合先进的异质异构集成和光电共封装技术，有望为拓扑物理模拟提供有效解决方案。团队后期将重点研究可相互作用的光学拓扑量子芯片，进一步拓展集成光学、量子光学与拓扑物理的前沿交叉。

图3. 拓扑安德森相变。(a)无相位扰动的晶格。(b)增加随机相位扰动的晶格。(c和d)实验观测和理论模拟得到不同强度随机扰动下的100组透射谱线均值。随着无序程度的增强，原禁带位置处出现的透射峰标志着拓扑安德森相变的发生。

北京大学物理学院2019级博士生戴天祥、2021级博士生马安琦、2020级博士生茆峻为论文共同第一作者。戴天祥、中国科学院微电子研究所杨妍研究员、胡小永与王剑威为论文共同通讯作者。论文主要合作者还包括南洋理工大学敖雨田博士后、张柏乐教授，中国科学院微电子研究所李志华研究员、唐波高级工程师、罗军研究员，龚旗煌，北京大学物理学院博士研究生贾新宇、郑赟、翟翀昊。

上述研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技创新2030重大项目，以及北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、合肥量子国家实验室等大力支持。