中国研究团队首次实现完全可编程的拓扑光子芯片

近日，北京大学王剑威研究员、胡小永教授、龚旗煌教授课题组与中国科学院微电子研究所杨妍研究员等合作者，将大规模硅基集成光芯片与拓扑光学紧密结合，首次实现了一种完全可编程的拓扑光子芯片。

据介绍，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。

相关研究成果于2024 年 5 月 22 日以“可编程拓扑光子芯片”（A programmable topological photonic chip）为题，发表在了《自然・材料》（Nature Materials）期刊。

据王剑威介绍，因其独特物理特性，拓扑绝缘体长期以来备受关注。通过构建可控的人工拓扑量子体系，科学家们希望能够模拟拓扑材料物性，观察新奇拓扑物理现象，并研制新型拓扑量子器件。常见人工拓扑量子体系包括光学、冷原子、离子与超导等，其可控能力主要体现在所有原子全局可调控、单个原子独立可调控两方面，而后者对实验提出了巨大挑战。

北京大学团队与合作者通过结合大规模硅基集成光学与拓扑光学，成功研制出一种完全可编程的拓扑光子芯片。这款芯片基于可重构的集成光学微环阵列，在仅11mm×7mm的面积内集成了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）等不同功能。

论文审稿的三名国际匿名评审人对本项工作给予高度评价，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。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。”

“多功能且快速可编程的拓扑光子芯片，充分展现了大规模集成光学技术与前沿拓扑材料物理研究的结合，为先进光子芯片在前沿领域的应用提供了新范式。”研究团队表示，通过发展大规模硅基集成光子技术与异质异构集成技术，有望为拓扑物理材料的模拟提供更加有效的解决方案。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。

编辑：芯智讯-林子