高密度、高带宽、大容量的全光互联技术在高速通信系统、数据中心、高性能计算等领域具有巨大潜力。光链路的数据传输能力受制于链路损耗，而集成器件中光的辐射是损耗的主要来源之一，只有部分光辐射能被有效利用。因此，实现光的定向辐射是降低光链路损耗，提升光子集成规模的一项关键技术。目前定向辐射大多通过分布式布拉格光栅反射镜、金属反射镜等镜面反射实现。然而，片上集成时，反射镜不仅体积大、结构复杂、加工难度高，还会引入额外的损耗和色散。因此，如何实现高辐射方向性、低插损、低色散、结构紧凑的定向辐射是光子器件乃至光子集成研究的一个关键问题。
针对上述问题，北京大学电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授课题组，与麻省理工学院物理学系Marin Soljacic教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系甄博助理教授合作，从拓扑光子学视角出发，提出了拓扑荷分裂再合并机制，在单层光子晶体平板中实现了单向辐射导模共振态（unidirectional guided-resonance, UGR），进而实现了不依赖反射镜的定向辐射。联合课题组利用自主发展的倾斜刻蚀工艺制备了光子晶体样品，并搭建了近远场共焦测试系统，实验上观测到了高达1.6e5的单面品质因子，即27.7 dB的非对称辐射比，较传统光栅设计提高了2个数量级，从而证明了UGR态的有效性。
本工作融合拓扑光子学、非厄米光子学，是将拓扑光子学原理用于实际光子器件设计的一个研究范例，为光学系统中其他新奇拓扑现象及应用研究提供了借鉴与参考。该技术有望显著降低片上光端口的插入损耗，大幅推动高密度光互联和光子芯片技术的发展。在为实现光子辐射调控开辟新方向的同时，也为集成光学相控阵、高能效激光器等亟需定向辐射功能的光子器件拓展了可期的应用前景。

图1：a, 一维光子晶体平板并定向辐射示意图。b-d, 通过倾斜一维光子晶体平板侧壁，引入非对称性，实现拓扑荷分裂再合并机制。e, 随着侧壁倾斜角变化，下表面辐射场中拓扑荷的演化轨迹。

图2：a，动量空间中上下表面远场辐射的傅里叶散射图像。b，傅里叶图像上不同kx点处随波长变化的散射谱。c,d, 随kx变化的能带以及下表面单面品质因子。在UGR态附近，下表面单面品质因子高达1.6e5。
相关研究成果于2020年4月22日以《拓扑保护的单向导模共振态观测》“Observation of Topologically Enabled Unidirectional Guided Resonances”为题发表在《自然》（Nature）上。北京大学电子学系博士研究生尹雪帆为论文第一作者，彭超副教授为通讯作者。
（来源： 《半导体学报》微信公众号）