研究背景

拓扑绝缘体（TIs）由于其非平凡带的丰富物理机制和拓扑边界模的潜在应用，备受科学界瞩目。自从量子霍尔效应被发现以来，拓扑相图已逐渐扩展成一个错综复杂的庞大体系，包括维度、对称性、非埃尔米特性和缺陷等多个维度。近年来，拓扑学与光子学的交汇为这一领域带来了革命性的突破。光子系统为拓扑物理和技术提供了许多优势，如无噪声环境、对晶格几何的约束较少、光学材料的广泛多样性、光学器件的高可控性以及可广泛采用的非线性光学效应。拓扑光子学，最初被认为是拓扑材料在光学人工结构中的延伸，现作为一个独立的领域出现，并正在革命性地改变光学科学和技术。在各种光子系统中，已经观察到整数量子霍尔TIs、量子自旋霍尔TIs、Floquet TIs、非埃尔米特TIs和许多其他有趣的拓扑现象。此外，已经深入开发和探索了实用的拓扑光子器件，例如拓扑光学延迟线、拓扑激光器以及拓扑单光子和纠缠光子源。

这些拓扑效应的观察和拓扑器件的演示，在那些精心设计的周期性结构或几何形状的各种光学器件上进行了报道。在基础科学和应用科学层面上，灵活精确地控制可编程拓扑光子器件中光的拓扑相位至关重要。首先，拓扑相变（TPT）的动力学依赖于器件结构参数的重大重新配置。拓扑不变量一直持续到带交叉，因此需要对参数进行标记更改。在典型测量中，在多个不同设备中或在多变量联合努力中观察TPT。尽管可以通过采用非线性效应或机械位移对设备进行全局定制来实现TPT，但需要使用更直接和准确的方法来描述TPT。通过单独编程每个人工原子及其相互作用来实现对系统的终极控制。然而，这在许多自然和人工拓扑系统以及光子学中仍然具有挑战性。其次，过去对拓扑现象的观察多数局限于对单个或多个样本的静态分析。通过统计测量全面证明拓扑稳健性，并探索如拓扑Anderson绝缘体（TAIs）和无定形TIs等有趣的统计拓扑现象，需要能够单独编程人工原子及其相互作用以控制无序。然而，制造大量具有精确控制无序度的样本用于这种统计分析是不切实际的。第三，物质的拓扑结构源于晶格中原子的集体行为，而晶格几何结构则决定相邻原子之间的相互关系和整体拓扑性质。由于带的拓扑结构在维度上的差异以及不同几何形状晶格带来的不同对称性，导致了不同类别的TIs。然而，先前对不同晶格中TIs的研究通常依赖于完全不同的样品。因此，需要定制样品的设计和制造，对进一步探索拓扑物理具有重要意义。

研究成果

控制光的拓扑相位可以观察到丰富的拓扑现象，并开发出稳健的光子器件。然而，利用拓扑光子器件实现更复杂控制，需要高级可编程性。鉴于此，北京大学王剑威研究员、胡小永教授、戴天祥以及中国科学院微电子研究所杨妍研究员，合作报道了一种完全可编程的拓扑光子芯片，该芯片通常集成了大规模硅光子纳米波导电路和微环谐振器的晶格，并使用互补的金属-氧化物-半导体工艺制造。复合体系中光子人工原子及其相互作用可以单独处理和控制，允许任意调整结构参数和几何配置，以观察动态拓扑相变和不同的光子拓扑绝缘体。在通用芯片上对人工原子进行单独编程，能够对相对较弱的无序的拓扑稳健性，以及由强无序引起的违反直觉的拓扑Anderson相变进行全面的统计表征。这种通用拓扑光子芯片具有快速重新编程的能力，以实现多种功能，为基础科学和拓扑技术的应用提供了一个灵活多样的平台。相关研究工作以“A programmable topological photonic chip”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

研究内容

如图1a所示，光子拓扑绝缘芯片是在耦合的微环谐振器和纳米光子电路的二维晶格上设计的。我们的拓扑芯片基于循环光子电路，具有向前和向后操作光状态的独特能力。每个微环可视为一个原子，而马赫-曾德尔干涉仪（MZI）则模拟了可调谐的原子间相互作用，从而构建了一个人工原子晶格模型。在实验中，研究者使用了一个由6×6单元组成的正方形晶格，共嵌入了96个周长相同1234.4μm的微环，每一个都具有105量级的内在质量因子。硅纳米波导的传播损耗为2.4dB·cm-1（图1e），每个微环的共振可以单独控制，微环之间的耦合（强度和相位）可通过具有约50dB超高消光比和约0.07dB超低损耗的MZIs任意控制。每个移相器由30mW功率的热光学驱动用于2π调制，并通过电子路由电路访问。从技术角度来看，拓扑芯片的演示标志着大规模光子电路在制造、控制、封装及测量技术方面取得了重大突破。图1b-d显示了芯片的制造和封装。通用光子芯片的高水平可控性和可编程性，实现了动态TPTs、统计拓扑过程和不同拓扑晶格的复杂实现（图1g）。

图1. 一个完全可编程的拓扑光子芯片

图2. Floquet TIs中耦合强度控制的TPTs

图3. 谐振相位控制的TPTs和拓扑稳健性的统计验证

图4. 在对强无序TI进行单独编程时，用统计测量观察拓扑Anderson相变

图5. 重新配置晶格几何结构时蜂窝晶格中Floquet TIs

结论与展望

这项工作展示了一种灵活、快速可编程的拓扑光子芯片。通过对通用芯片进行重新编程来对多功能性进行基准测试，实现了动态TPTs、不同拓扑格以及拓扑过程的统计测量。这款通用芯片不仅可以直接用于探索光的拓扑相位和理解奇异现象，还可在大规模光学谐振器晶格中具有独特的反向操作，为经典和量子信息处理和计算任务提供替代解决方案。它可以提供灵活的硬件，对拓扑材料的晶格进行建模，并预测其物理性质。这种可编程性甚至可允许对真实世界中通常存在的无序性、不均匀性和各向异性等材料进行动态模拟。为了模拟这些复杂的拓扑材料和物质，需要一个更大尺度的晶格。通过对循环光子电路和电气路由电路的精细设计，有望实现拓扑芯片的进一步扩展。利用先进的硅基集成光子技术，在硅和光子学上使用不同光学材料的异质集成&电子封装或协同集成，可为超大规模集成可编程TIs提供最终解决方案。总之，可编程拓扑光子芯片可以为基础科学和拓扑技术提供一个通用平台。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01904-1