近日，暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院研究員丁偉團(tuán)隊(duì)和北京理工大學(xué)教授路翠翠團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)教授胡小永團(tuán)隊(duì)合作，在片上拓?fù)洳屎缙骷芯恐腥〉弥匾M(jìn)展，首次在納米尺度的芯片上觀測(cè)到顯著的拓?fù)洳屎缧?yīng)。相關(guān)研究發(fā)表于《自然—通訊》。

　　以光子為信息載體的微納全光器件在光通信、光信息處理、光計(jì)算等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。拓?fù)涔庾討B(tài)由于受拓?fù)鋽?shù)守恒保護(hù)，與傳統(tǒng)光子態(tài)相比具有魯棒性和抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。頻率作為光的自由度，是傳輸信息的基本載體，多頻率光傳輸是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)信息處理的基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以利用光子晶體合成維度構(gòu)建出片上多頻率拓?fù)鋺B(tài)微納器件。這類(lèi)“拓?fù)洳屎缙骷痹谑艿浇Y(jié)構(gòu)縮放、隨機(jī)誤差、材料缺陷或雜質(zhì)干擾時(shí)，只要光子晶體帶隙不閉合，器件性能就不會(huì)受影響。

　　然而，在納米尺度實(shí)現(xiàn)片上集成拓?fù)洳屎缙骷媾R很大挑戰(zhàn)。一方面，光場(chǎng)分辨率需要極大地突破衍射極限（達(dá)到幾十納米量級(jí)）才能表征光通信波段光子晶體單個(gè)晶格內(nèi)的電場(chǎng)分布；另一方面，在同一芯片上制備光子晶體結(jié)構(gòu)、傳輸波導(dǎo)、耦合結(jié)構(gòu)、激發(fā)端的過(guò)程十分復(fù)雜。

　　在研究工作中，科研人員利用自主開(kāi)發(fā)的散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，對(duì)合成維度光子晶體拓?fù)洳屎缂{米器件的表面電場(chǎng)給出了直接表征。每個(gè)光子晶格的電場(chǎng)分布清晰可見(jiàn)，不同頻率下的拓?fù)鋺B(tài)電場(chǎng)最大值出現(xiàn)在不同的晶格位置，在納米尺度芯片上實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了顯著的拓?fù)洳屎缧?yīng)，和仿真計(jì)算結(jié)果一致。

　　散射式近場(chǎng)光學(xué)表征技術(shù)具有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：一是樣品形貌和光學(xué)信號(hào)能同步測(cè)量，可以直接提供光子晶體不同位置處的電場(chǎng)振幅信號(hào)；二是使用的原子力顯微鏡探針針尖小于20納米，能夠深入單個(gè)光子晶體空氣孔中，并且提供極高的空間分辨率。此外，采用波導(dǎo)端面耦合方式提高激發(fā)效率，用同一根光纖收集樣品表面近場(chǎng)反射信號(hào)，可以同時(shí)具有高收集效率和低背景噪聲的優(yōu)勢(shì)。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30276-w