新闻网讯 6月2日，武汉光电国家研究中心陈林教授联合香港大学张霜教授，新加坡国立大学的仇成伟教授和中国国家纳米科学中心董凤良教授，在《先进光子学》（Advanced Photonics）发表最新研究进展“Topological Landau–Zener nanophotonic circuits”。

拓扑集成光路具有鲁棒性，可以有效提升系统对于加工误差的容忍度，因而受到广泛关注。通过对拓扑边界态的控制，能够实现光子态的量子化泵浦输运、非阿贝尔编织、单向传输，这些研究成果可以被用来开发耦合器、光开关、复用/解复用器等基础光路单元，从而有效提升光计算、光互连网络的整体性能。

研究人员发现，当周期性拓扑光波导阵列的单元数目降低时，受到拓扑保护的闭合能带会因为有限尺寸效应而打开。在这种情况下，拓扑边界态在带隙处会经历朗道-齐纳隧穿和朗道-齐纳单带演化两种动态过程，并且拓扑边界态参与两种动态过程的比例由其演化速度决定。进一步研究发现，朗道-齐纳隧穿使得边界态局域在波导阵列的一个边界上，而朗道-齐纳单带演化中，边界态将会从一个边界演化到另一个边界。利用边界态的这一动态演化性质，设计了通过器件长度、波长、耦合强度控制边界态演化速度，进一步控制边界态是否切换边界位置的信道转换器。实验结果表明，在1550nm波长处存在接近100%的信道转换效率。本工作通过独特的有限尺寸波导阵列设计，利用朗道-齐纳动力学原理调控拓扑边界态，提出了一种新的光波控制方法，该方法有望运用到更加复杂的情况，将非厄米体系、非阿贝尔编织、高阶拓扑相等物理概念推广到光学领域的应用之中。在本工作中设计的信道转换器也能够作为一个基础单元功能参与到光网络系统中耦合器、路由器、复用/解复用器的开发中。

工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。研究中心博士生许冰聪、香港中文大学（深圳）理工学院助理教授解碧野、中国国家纳米科学中心研究员徐丽华为共同第一作者，武汉光电国家研究中心陈林教授、香港大学张霜教授、新加坡国立大学仇成伟教授、中国国家纳米科学中心董凤良教授担任通信作者。此外论文的合作者还包括研究中心博士生邓明、新加坡国立大学博士后陈伟锦和魏珩以及武汉光电国家研究中心王健教授。

论文链接：

https://www.researching.cn/Articles/OJ65897e6dde493227

图1 有限拓扑波导阵列中的朗道-齐纳模型。(a)拓扑波导阵列；(b)波导传播常数与波导宽度的关系；（c-d）波导阵列单元数目分别为M = 10（c）以及M = 2（d）时的本征谱图；（e）图（d）取不同耦合系数时对应的朗道齐纳模型。

图2 器件长度分别为 L = 10 um (a)、20 um (b)、以及100 um（c）的信道转换器中仿真场强E2的分布。

图3 实验验证。（a-c）整体器件以及局部细节的SEM电镜照片；（d-e）信道转换器输出端光场仿真；（f-d）信道转换效率的仿真与实验对比，其中实现为仿真数据，空心点为实验数据。