导读

在“后摩尔时代”，电子芯片在计算速度和功耗方面遇到极大的挑战，而具有高速率、大带宽、低功耗以及高密度集成等优势的光子集成芯片可突破传统集成电路物理极限上的瓶颈，满足新一代信息技术革命中人工智能、万物互联、云计算等领域对高速率、大容量信息获取、传输、计算、存储和显示的迫切需求。

《激光与光电子学进展》于2024年第19期（10月）推出系列专题之，上海交通大学苏翼凯教授团队发表， 综述了拓扑光子学的发展历程，重点介绍了其在片上集成光子器件上的应用，阐述了基于拓扑光子学理论的各类光子器件的原理和应用，被选为本期专题封面文章。

封面解读

封面展示了集成拓扑光子器件的基本结构，从左至右依次为：由拓扑光子晶体构成的宽带3 dB分束器、集成拓扑光开关，以及基于一维扎克相的电光调制器。整个设计突出了拓扑边界态的拓扑保护特性，包括鲁棒的传输能力、高效的移相性能和卓越的调制效率等。左侧圆框中展示了能谷光子晶体的基本结构，该结构由具有不同谷陈数的两种光子晶体组成。当光从光源发射后，通过传统波导耦合至拓扑3 dB分束器进行分束，随后光信号经过拓扑光开关处理，最终通过一维拓扑电光调制器进行调制，进入后续处理阶段。与传统的片上波导器件相比，拓扑波导器件具有更高的集成度，为集成光电子器件的发展提供了全新的方向和思路。

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一、研究背景

在大数据时代，热效应和隧道效应带来的尺寸和功耗问题让遵循摩尔定律的电子芯片的发展面临着巨大挑战。近年来，集成光电子器件在纳米尺度上通过光子承载和处理信息，具有能耗低、带宽宽的优势，被认为是某些应用场合的潜在解决方案，其研究范围包括全光连接、全光计算和全光网络。具有鲁棒特性的拓扑光子学的引入为集成化的片上光信息处理带来了广阔的前景，应用拓扑态构建片上纳米光子器件的研究正在快速发展。由于拓扑边界态的稳健性，制造误差带来的不利影响将被抑制，从而实现鲁棒的片上光电子器件功能，可以为光电子集成提供一条新的思路。

拓扑光子晶体的一个显著特征为光在光子晶体内部是绝缘的，而其边界态是受拓扑保护或对称性保护的。受拓扑保护的边界态可以不受材料缺陷和杂质的影响，从而实现边界态的鲁棒传输。基于这些拓扑保护机制，可以设计出对缺陷鲁棒的拓扑光子器件。此外，拓扑波导在设计片上集成光电子器件中也有许多独特的优势，如移相效率高、可调控的自由度多等特点，基于拓扑光子学的诸多优势，各类集成拓扑光子器件都被提出，本文简单介绍3类器件：拓扑光源、拓扑无源器件、拓扑有源器件。

图1 片上集成拓扑光电子器件的分类

二、拓扑光源

作为集成光子学中最重要的组成部分，片上光源通过在芯片上发射特殊波长的光提供光信号。拓扑光子学的发展促进了基于拓扑光子态的片上光源的发展，如拓扑激光器和拓扑量子光源，它们对结构缺陷具有很强的鲁棒性。

2017年，Bahari等人基于钇铁石榴石材料制造的拓扑腔实现了非互易单模激光，该拓扑腔可以在室温和电信波长下工作。2020年，Zeng等人展示了一种基于拓扑保护谷边态的电泵浦太赫兹量子级联激光器，通过在三角环形腔的下方耦合直边界态波导，设计了基于谷光子晶体的拓扑激光器。

除了面内激光器，片上面外辐射激光器也被广泛研究。2019年，北京大学的研究小组提出了基于全介质量子自旋霍尔类比的单模拓扑光子晶体激光器和微/纳米尺度的拓扑涡旋激光器。后来，基于Jackiw-Rossi零模的单模狄拉克涡旋拓扑腔、扭曲光子石墨烯晶格连续体中的束缚态（BICs）的激光器也被一一提出。

三、片上拓扑无源器件

功分器作为片上集成器件中重要的器件之一，在拓扑光子学领域受到了广泛关注，各种拓扑功分器的研究不断涌现。功分器的功能是将一束光的能量分为多路，且每路的能量比是固定的。由于能谷光子晶体具有低损耗的优势，被广泛应用在片上，如图2所示。

He等人研究了基于谷光子晶体的功率分配器,他们研究了ABC型超晶格的能带结构，并设计了任意比例的功率分配器，如图2a所示。2022年，Wang等人研究了具有非对称场分布的非对称谷光子边缘态，证明通过调整非对谷光子晶体的几何参数可以实现任意比例的功率分配器，图2b展示了一个33:67的功率分配器。最近，基于能谷功分器，研究人员还研究了多路功分器的实验结果，事实证明，拓扑波导在多路分束后依然可以稳定工作，如图2c所示。此外，为了研究高鲁棒性的3dB功分器，Dong等人将拓扑物理学引入纳米光子学，开发出了拓扑3-dB耦合器框架，如图2d所示。

图2 拓扑功分器分类。(a)基于耦合点位移实现的非对称耦合功分器示意图；(b)基于非对称能谷拓扑边界实现的非对称功分器示意图；(c)基于能谷光子晶体的多通道耦合功分器SEM图；(d)宽带50:50拓扑功分器SEM图

此外，拓扑滤波器是一种重要的光处理器件，可以滤除不需要的波长，保留目标波长。拓扑滤波器一般需要用谐振器件来实现，目前提出的两类分为一维扎克相谐振腔或基于二维光子晶体的环形谐振腔。此外，基于一维光子晶体系统、二维环形谐振腔、双带隙谷光子晶体也被用来实现了拓扑波分复用器。最近，一类新型空间分光滤波器被提出，被称为拓扑彩虹，其为Lu等人在合成维度拓扑光子系统中首次提出并实现的。它能够将不同频率的拓扑光子态分离、变慢并捕获到不同的位置。他们通过纳米结构内的平移自由度引入合成维度。基于合成维度的拓扑彩虹不受对称性、晶格类型、材料或波长波段的限制，易于实现片上集成。

四、拓扑片上有源器件

为了将拓扑光子学引入可实际应用的领域，如全光路和通信系统，可调性是拓扑功能器件的重要特性。Cheng等人首次基于金属柱体和环构成的石墨烯格子提出了可重构电磁路径的拓扑绝缘体。2019年，Shalaev等人展示了基于强激光改变硅波导折射率，来调控波导禁带位置来控制光的传输，基本架构如图3a所示。2019年，Dong等人基于能谷边界态探索了不同谷边缘态的相位涡特征，并利用这些发现设计了一种拓扑能谷自旋锁定路由器，如图3b所示。2022年，Wang等人提出了一种基于谷光子晶体的超紧凑1×2拓扑热光开关，如图3c所示。受益于能谷光子晶体结构产生的相位涡旋，沿传播方向拓扑边界模式下的光程大约是传统模式的两倍。实验结果表明，与报道的传统宽带开关相比，他们提出的热光开关的器件尺寸最小。后来，Sun等人提出并实验证明了一种基于硅的拓扑光子2 × 2 热光开关，它由两个相同的拓扑光子晶体纳米束侧耦合到两个总线波导组成，如图3d所示。

近来，Dai等人报道了一个高度可编程的拓扑光子芯片，他们的结果表明由传统光开关构成的光路由模型是一个灵活、通用和即时可重新编程的拓扑光子平台。

图3 拓扑可调光开关。(a)通过光控折射率调制实现拓扑谷光子晶体调制器件的示意图；(b) 基于涡旋选择的能谷路由器的SEM图像；(c)基于拓扑移相器的1×2拓扑热光开关的SEM图；(d) 基于双硅拓扑纳米光束腔的高速低功耗2 × 2热光开关

此外，作为片上调控的一个重要器件，调制器也被用拓扑光子晶体实现了。Zhang等人提出了在铌酸锂薄膜集成平台上实现了一维Zak相的拓扑界面态。由于界面态的强光场约束和电光响应的峰值增强，尺寸为1.6×140 μm2的拓扑腔可实现104 GHz的大调制带宽。与传统的带宽超过28 GHz的铌酸锂调制器相比，该拓扑调制器的器件尺寸最为紧凑，且它能产生100 Gb/s的非归零和100 Gb/s的四电平脉冲幅度调制信号。

五、总结与展望

近20年来，由于拓扑光子学具有强鲁棒性传输、抑制背向散射、高单模性和高移相效率等独特特性，使其在集成拓扑器件的研究中拥有广泛应用。片上拓扑纳米光子器件的设计方案多种多样，已实现了各种功能的器件。本文综述了片上集成拓扑激光器、波导器件、可调功能器件和量子光学器件等。然而，实现大规模拓扑光子器件集成仍然存在一些挑战，如拓扑波导的较大损耗和材料的兼容性等。

对于诸如大规模集成器件与量子器件，对波导的损耗以及工艺误差产生的缺陷较为敏感，通常会影响其性能。上述问题不仅涉及损耗，还需考虑材料加工精度，尤其是设计出对工艺缺陷具有强鲁棒性的拓扑结构。另一方面，对于激光器、放大器，如何将增益介质集成到片上也是是一个巨大挑战。当然，随着微纳加工技术的进步，未来拓扑光子学将更多地向微纳尺度集成发展，实现在单个芯片上集成多种拓扑光子学器件，从而提高片上器件的多功能性和紧凑性。

同时，未来的拓扑光子学将趋向于实现多功能和多样化的应用。不仅能在传统的通信和计算领域发挥作用，还可以应用于生物传感、量子计算和新型传感器等领域，拓展其在科学和工程中的应用范围。拓扑光子学的发展需要跨学科的合作，结合物理学、光子学、材料科学、工程学等多个领域的知识和技术，以推动其理论基础和应用技术的进步。

作者介绍

苏翼凯，上海交通大学电子信息与电气工程学院教授、博士生导师，基金委杰青，教育部长江学者，科技部“光电子器件及集成”重点专项专家。IEEE光子学会上海分会主席、APL Photonics Associate Editor （2016）、Photonics Research Associate Editor （2013-2019）、Optics Letters Topical Editor（2008-2014）、IEEE JSTQE Guest Editor（2008/2011）。毕业于合肥工业大学（学士、1991）、北京航空航天大学（硕士、1994）、美国Northwestern University（博士、2000），2001-2003年于美国新泽西州贝尔实验室工作，2004年至今任上海交通大学教授。研究领域为光电子器件及集成、传输与交换光子学。发表论文400余篇，被引用超过5000次（Scopus检索），受邀请在国际会议上做报告约70次。拥有授权美国专利6项，中国发明专利70多项。多个国际会议共同主席（ACP等）、国际会议技术委员会委员（CLEO、OFC、ECOC、LEOS等）。