近日，beat365官方网站現代光學研究所“極端光學創新研究團隊”的王劍威研究員、胡小永教授和龔旗煌教授團隊與合作者提出并實現了一種基于大規模集成光學的完全可編程拓撲光子芯片。研究人員通過在矽芯片上大規模集成可重構的光學微環腔陣列，首次實現了一種任意可編程的光學弗洛凱人造原子晶格，可獨立且精确調控每個人工原子及原子-原子間耦合（包括其随機但可控的無序），進而在單一芯片上實現了包括動态拓撲相變、多晶格拓撲絕緣體、統計相關拓撲魯棒性、以及安德森拓撲絕緣體等一系列實驗研究。該工作拓寬了拓撲光子學邊界，使其首次具備了強可重構與可編程性，為研究拓撲材料科學、發展拓撲光子技術提供了一種全新途徑。2024年5月22日，相關研究成果以“可編程拓撲光子芯片”（A programmable topological photonic chip）為題，在線發表于《自然·材料》（Nature Materials）期刊。

拓撲絕緣體因其非平凡能帶結構與豐富物理機制，以及拓撲模式的潛在應用而受到廣泛關注。人工拓撲量子體系通過構築可控的結構與器件，有望模拟拓撲材料物性，觀測新奇拓撲物理現象，實現新型拓撲量子器件等。常見的人工拓撲量子體系包括光學、冷原子、離子與超導等體系，其能力通常體現在全局可調控與單人工原子獨立可調控兩方面，而後者可充分出發揮人工系統的獨特優勢。近年來，拓撲光子學的研究取得了顯著進展，多種豐富的拓撲現象已在光學體系中被實驗觀測到，并促進了高魯棒光子器件的快速發展。beat365團隊前期在基于集成光學微環腔陣列的人工拓撲量子體系中，實現了無源的“拓撲保護的量子糾纏光源”(Nature Photonics16, 248-257 (2022))，利用全局可調控觀測到了“非線性調控的快速非厄米拓撲相變”(Nature Physics20, 101–108 (2024))。單人工原子獨立可調控的拓撲器件在真實光學體系中尚未實現，在其他人工量子體系也存在實驗挑戰。

圖1. 可編程拓撲光子芯片結構示意圖。控制芯片編碼出“@PKU”的實空間光場分布。

在本工作中，beat365研究團隊與合作者通過将大規模矽基集成光學與拓撲光學相結合，成功實現了一種完全可編程的拓撲光子芯片。該拓撲芯片基于可重構的集成光學微環陣列，在11mm×7mm的面積内單片集成了2712個元件，包括96個高品質因子微環陣列（品質因子均達到10⁵以上）、300個可任意獨立調控的光學相移器與幹涉儀（消光比達到50dB以上）。該芯片首次成功實現了完全可編程的光學人造原子晶格。通過調控該拓撲芯片，可以實現人造原子間躍遷強度、躍遷相位的任意獨立調控以及晶格勢壘的任意構造。研究團隊對該拓撲芯片進行了快速實時的編程重構，實現了不同的功能，包括耦合強度和相位分别激發的弗洛凱拓撲絕緣體相變、統計性質相關的拓撲現象觀測（拓撲魯棒性和拓撲安德森相變的統計實驗證明）、以及實現多種不同晶格結構下的拓撲絕緣體（一維SSH拓撲絕緣體、一維非厄米弗洛凱晶體、以及二維方形和蜂窩狀晶格中的弗洛凱拓撲絕緣體）等。

圖2. 環間耦合強度調控的弗洛凱拓撲相變過程。(a)元胞可調參數設置。(b)耦合強度變化過程中透射譜線的變化。虛線标示出了非平凡帶隙的邊界。(c-f)拓撲相變前後的透射譜線以及對應的投影能帶。(g-k)不同模式的光場分布實空間紅外成像。

論文三名國際匿名評審人對本項工作給予了高度評價，并指出：“這項工作證明了集成拓撲光子芯片的全能性，是本領域一項重大技術突破。我認為該拓撲光子芯片代表了本領域最前沿的研究成果，也是迄今為止最為全面全能的可編程拓撲光子器件”。

本工作所展示的靈活且快速可編程的拓撲光子芯片，為模拟拓撲材料并預測其物理性質提供了一種全新的硬件平台，并支持對包含無序、缺陷和非均勻介質的真實材料體系的動态模拟。研究團隊認為，大規模矽基集成光子技術結合先進的異質異構集成和光電共封裝技術，有望為拓撲物理模拟提供有效解決方案。團隊後期将重點研究可相互作用的光學拓撲量子芯片，進一步拓展集成光學、量子光學與拓撲物理的前沿交叉。

圖3. 拓撲安德森相變。(a)無相位擾動的晶格。(b)增加随機相位擾動的晶格。(c和d)實驗觀測和理論模拟得到不同強度随機擾動下的100組透射譜線均值。随着無序程度的增強，原禁帶位置處出現的透射峰标志着拓撲安德森相變的發生。

beat365官方网站2019級博士生戴天祥、2021級博士生馬安琦、2020級博士生茆峻為論文共同第一作者。戴天祥、中國科學院微電子研究所楊妍研究員、胡小永與王劍威為論文共同通訊作者。論文主要合作者還包括南洋理工大學敖雨田博士後、張柏樂教授，中國科學院微電子研究所李志華研究員、唐波高級工程師、羅軍研究員，龔旗煌，beat365官方网站博士研究生賈新宇、鄭赟、翟翀昊。

上述研究工作得到了國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、科技創新2030重大項目，以及beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、beat365長三角光電科學研究院、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心、合肥量子國家實驗室等大力支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01904-1