近日，北京理工大学物理学院路翠翠副研究员与北京大学胡小永教授合作，实现了国际上尺寸最小的基于智能算法的偏振路由器件，以封面形式发表在光学领域知名期刊《Advanced Optical Materials》上。首次揭示了二维谐振环阵列产生拓扑相变内在条件，并给出了由耦合强度与增益损耗量共同决定的解析关系，研究成果发表在物理学领域顶级期刊Physical Review Letters上。此外，他们受光学领域顶级期刊Advances in Optics and Photonics编辑邀请，撰写综述文章，也是我校首次在该顶级期刊发文。
以光子为信息载体的集成纳米光子器件在光通信、高性能计算、光互联等领域有着广泛的应用。偏振路由纳米器件是片上光子集成器件的重要组成部分，能够将入射的不同偏振光分离并引导到不同的输出端口。偏振路由纳米器件典型的传统实现结构包括光栅、光波导、光子晶体、金属表面等离激元模式、超构材料等。这些结构难以同时实现尺寸超小、大带宽、高透过率和低损耗的高性能偏振路由纳米器件；并且在设计过程在结构参数优化需要大量的计算资源和较长的时间，优化过程受已有结构类型和物理原理限制器件性能存在严重的局限性。
北京理工大学物理学院路翠翠副研究员等人将遗传算法和有限元法结合，发展出对不同结构、不同材料、不同波段、不同模式等都适用的智能算法，能够设计超小尺寸的片上集成光子器件。在该工作中，他们利用智能算法设计出多种易集成的平面结构，将入射的TE和TM模式路由到不同输出端口，选用微纳工艺成熟的硅基材料进行了实验。受已有条件限制，器件的制备和测试在北京大学物理学院完成。该器件工作在近红外波段，最大透过率为85%，两种偏振模式输出对比度超过11 dB，器件尺寸仅为970 nm × 1240 nm，是目前已知实验报道中的通过算法设计的尺寸最小的偏振路由纳米器件。每个单元结构的平均位置误差容忍度20 nm左右，在当前的微加工技术精度以内。同时，他们为了实现从空间光到片上传输的高效率耦合，用所发展的智能算法设计出高效耦合的无序光栅结构，分别作为TE和TM模式的耦合端。该工作为实现片上偏振路由纳米器件提供了一种高效、通用的实现方法，也为片上集成全光器件的实现带来新的启发和通用的设计思路，将极大地促进纳米光子集成器件的发展，及其在高密度集成度光子芯片中的应用。相关研究工作发表在Wiley出版社的《Advanced Optical Materials》期刊上，被Materials Views China科技网站和微信同时进行了报道（https://www.materialsviewschina.com/2020/03/43674/），也被两江科技评论进行了报道，该工作同时被编辑选为期刊封面进行亮点报道。
图 由耦合强度γ和增益损耗量κ决定的二维拓扑相图。拓扑相界面由数学关系tanγ=cosh(2κ)描述。
在拓扑光子学方面，与北京大学物理学院胡小永教授合作，发现在二维PT对称构型的耦合谐振环阵列光子拓扑绝缘体中存在拓扑相变；并且揭示了产生拓扑相变的内在条件：首次给出了由耦合强度与增益损耗量共同决定的解析关系。相关研究成果发表在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上，特别感谢回复审稿意见过程香港科技大学物理系C. T. Chan教授和清华大学物理系刘永椿副教授的帮助。
拓扑光子学是光学领域十分活跃的研究方向，非厄米拓扑体系因其存在更丰富的物理现象及重要的应用潜力在近年来受到关注，但是非厄米拓扑系统的内在物理十分复杂，因而在二维非厄米拓扑光子体系中实现拓扑相变以及精确的主动调控面临巨大挑战。他们采用传输矩阵方法分析了满足PT对称性的耦合谐振环阵列光子拓扑绝缘体，通过计算体系能带结构证明了该非厄米体系中存在拓扑相变，并通过代数分析得到了描述拓扑相变发生条件的解析关系式，由此解析关系即得到了该非厄米系统的一个二维拓扑相图。研究结果显示，通过对系统主环外加泵浦的方式，即可在拓扑非平凡态与平凡态间切换。这一发现为调控光子拓扑绝缘体拓扑相变提供了一个新的维度，对主动调控拓扑态的进一步发展具有指导作用，并对非厄米拓扑光子学的进一步研究具有启发意义。
此外，他们受光学领域顶级期刊美国光学学会《Advances in Optics and Photonics》期刊编辑邀请，撰写了七十余页的综述文章“Photonic molecule quantum optics”，全面概述了光分子量子光学的基本原理、研究现状和发展趋势，为快速发展的光分子量子光学领域提供一个通用的框架，包括实现结构和材料框架、基本物理机制、在集成光子器件中的应用、面临的挑战和发展方向及展望。文章发表后成为该期刊当月下载量最高的十篇文章之一。
以上研究工作得到了国家自然科学基金委、北京理工大学青年教师学术启动计划、国家重点研发计划、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心和北京市科学技术委员会等的支持。
文章信息：（*为通讯作者）
[1] Cuicui Lu,* Zhouhui Liu, You Wu, Zhiyuan Xiao, Dongyi Yu, Hongyu Zhang, Chenyang Wang, Xiaoyong Hu,* Yong-Chun Liu, Xiaohong Liu, and Xiangdong Zhang, Nanophotonic polarization routers based on intelligent algorithm, Advanced Optical Materials 8, 1902018 (2020).
[2] Yutian Ao, Xiaoyong Hu,* Yilong You, Cuicui Lu,* Yulan Fu, Xingyuan Wang,* Qihuang Gong, Topological Phase Transition in Non-Hermitian Coupled Resonator Array, Physical Review Letters 125, 013902 (2020).
[3] Kun Liao, Xiaoyong Hu,* Tianyi Gan, Qihang Liu, Zhenlin Wu, Xilin Feng, Chongxiao Fan, Cuicui Lu,* Yongchun Liu, and Qihuang Gong, Photonic-Molecule Quantum Optics, Advances in Optics and Photonics 12, 60 (2020).
