近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭超副教授課題組與美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)系馬林·索爾賈?？私淌?、賓夕法尼亞大學(xué)物理與天文學(xué)系甄博助理教授合作，從拓?fù)涔庾訉W(xué)視角提出一種在單層硅基板上不依靠反射鏡而實(shí)現(xiàn)定向輻射的新方法。相關(guān)研究成果《拓?fù)浔Ｗo(hù)的單向?qū)９舱駪B(tài)觀測(cè)》日前在線發(fā)表于《自然》。

單向輻射作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光子集成和光子芯片的關(guān)鍵技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于高性能光柵耦合器、高能效激光器及激光雷達(dá)光學(xué)天線等，目前大多通過(guò)分布式布拉格光柵反射鏡、金屬反射鏡等鏡面反射實(shí)現(xiàn)。然而，片上集成時(shí)，反射鏡不僅體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度高，還會(huì)引入額外的損耗和色散。

針對(duì)這一集成光子器件研究中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，彭超等人從拓?fù)浜刹倏爻霭l(fā)，在光子晶體平板中實(shí)現(xiàn)了單向輻射的特殊諧振態(tài)，即單側(cè)輻射導(dǎo)模共振態(tài)，在一維光子晶體中通過(guò)傾斜側(cè)壁同時(shí)破缺結(jié)構(gòu)垂直對(duì)稱性和面內(nèi)對(duì)稱性，使體系中連續(xù)區(qū)束縛態(tài)所攜帶的整數(shù)拓?fù)浜煞至褳橐粚?duì)半整數(shù)拓?fù)浜?，并在平板上、下兩?cè)表面產(chǎn)生大小不等的輻射。

此時(shí)，維持對(duì)稱性破缺，通過(guò)調(diào)控參數(shù)將一側(cè)表面的成對(duì)半整數(shù)拓?fù)浜芍匦潞喜⒊烧麛?shù)拓?fù)浜?，形成不依賴鏡面僅朝一個(gè)表面輻射能量的UGR態(tài)。聯(lián)合課題組利用自主發(fā)展的傾斜刻蝕工藝制備樣品，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到非對(duì)稱輻射比高達(dá)27.7dB；這就意味著超過(guò)99.8%的光子能量朝一側(cè)定向輻射，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提高了1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，從而有力證明了單向輻射導(dǎo)模共振態(tài)的有效性和優(yōu)越性。該技術(shù)有望顯著降低片上光端口的插入損耗，大幅推動(dòng)高密度光互連和光子芯片技術(shù)的發(fā)展。