芯片上集成的超快可调一维光子拓扑绝缘体及其应用

Photonic topological insulators have great potential applications in fields of ultrahigh-speed information processing and integrated photonic chips. Nowadays, the problem existes in the international research field of photonic topological insulator is that the low-power and ultrafast tunable on-chip-integrated photonic topological insulator and its applications in nanoscale photonic devices is difficult to achieve. This project will study the on-chip-integrated one-dimensional photonic topological insulator based on one-dimensional surface plasmon polariton crystal heterostructure, and one-dimensional photonic crystal heterostructure having the configuration of metal layer/SiO2 insulator layer/one-dimensional dielectric Bragg grating heterostructure/SiO2 insulator layer/metal layer. The approach and method to realize on-chip-triggered, ultralow-energy-consumption, ultrafast all-optical tunable photonic topological interface state by combining third-order nonlinear nanocomposite materials and novel one-dimensional phootonic topological insulators will be studied. The on-chip-triggered low-power nanoscale photonic devices, including all-optical switching, all-optical switch, and all-optical router, based on ultrafast tunable photonic topological insulators will be studied. The research results will promote the study of practical applications of photonic topological insulators.

光子拓扑绝缘体在超高速信息处理和集成光子芯片等领域具有非常重要的潜在应用。目前国际上光子拓扑绝缘体领域的实验研究中存在的难题是，难以实现低能耗超快全光可调芯片上集成的光子拓扑绝缘体及其在微纳光子器件中的应用。本项目探索利用一维表面等离激元晶体异质结、具有金属薄膜/SiO2隔离层/一维介电Bragg光栅异质结/ SiO2隔离层/金属薄膜构型的一维光子晶体异质结来实现芯片上集成的一维光子拓扑绝缘体；探索将三阶非线性纳米复合材料体系与新型一维光子拓扑绝缘体相结合，实现芯片上触发的超低能耗、超快全光可调光子拓扑界面态的途径和方法；探索利用超快可调光子拓扑绝缘体来实现芯片上触发的超快低能耗全光开关、全光交换、全光路由等微纳集成光子器件的功能。研究成果对光子拓扑绝缘体的应用研究将具有重要的推动作用。

光子拓扑绝缘体在超高速信息处理和集成光子芯片等领域具有非常重要的潜在应用。本项目探索片上集成的可调控光子拓扑绝缘体的实现途径，及其在微纳光子器件中的应用。提出利用芯片上集成的一维硅基拓扑光子晶体双异质结来实现超高品质因子Fano共振的方法，制备出具有金薄膜/SiO2隔离层/一维Si和SiO2的Bragg光栅双异质结/SiO2隔离层/金薄膜构型的一维拓扑光子晶体双异质结，实验测得该一维拓扑光子晶体双异质结Fano共振的品质因子达到104量级；进一步制备出Su–Schrieffer–Heeger（SSH）构型的金纳米链一维表面等离激元拓扑绝缘体，利用超高时空分辨光发射电子显微镜测量系统从时域角度揭示了SSH构型金纳米链拓扑边界态的时域动力学演化规律，发现局域等离激元拓扑边界态退相干时间首先随着纳米链长度的增加而增加，然后达到饱和，对于时域拓扑光子学研究具有一定的推动作用。提出非厄密调控片上集成的带增益损耗的耦合谐振腔阵列二维光子拓扑绝缘体拓扑相变的新方法，理论计算发现通过改变耦合强度和增益损耗比值两个维度能够调控非厄密耦合谐振腔阵列光子拓扑绝缘体的拓扑相变，并获得了非厄密硅耦合谐振腔阵列光子拓扑绝缘体发生拓扑相变的条件；通过在二维三角晶格硅耦合腔阵列光子拓扑绝缘体中引入ZnO纳米线，理论计算发现在控制光的作用下使得ZnO纳米线的折射率发生改变实现光场调控硅耦合腔阵列光子拓扑绝缘体，并在此基础上实现了全光路由的功能；提出了一种利用电光效应实现电场调控氧化物光子晶体能谷拓扑态的方法，理论计算发现当外加电压从-30V增加到30V时，BaTiO3的电光效应使得片上集成的二维TiO2/BaTiO3谷光子晶体发生拓扑相变，并且实现了拓扑边界模式传输的开关控制。相关工作被选为期刊 Advanced Optical Materials的封面文章和封底文章、以及期刊Opto-Electronic Advances封面文章。