近日，清華SIGS副教授宋清華團隊聯(lián)合新加坡國立大學教授仇成偉、洛桑聯(lián)邦理工大學教授羅曼·弗勒里(Romain Fleury)在拓撲光學領域取得突破性進展，首次提出一種實動量拓撲光子晶體的概念，揭示了無序中穩(wěn)定拓撲的形成機制，并實現(xiàn)了光子晶體的有效信息編碼。

　　相關研究成果于2月26日以“無序輔助的實動量拓撲光子晶體”為題、在線發(fā)表于《自然》期刊，為進一步探索光學領域提供了全新的研究視角。

　　《自然》(Nature)網(wǎng)站論文截圖

　　在光學中，連續(xù)域束縛態(tài)(BIC)是一種特殊的光學奇點，其能量被局域化，無法向外傳播，從而在動量空間中形成一個不輻射、Q值無窮大的偏振奇點，圍繞該奇點的偏振分布具有非平庸的拓撲荷。因此，BIC在渦旋光產(chǎn)生、場增強和高Q值等光學應用中具有廣闊的前景，對拓撲光學領域具有深遠影響。

　　傳統(tǒng)利用超表面和光子晶體實現(xiàn)的BIC通常依賴于嚴格的周期性結構，結構的無序會破壞周期性，導致BIC退化成準BIC(即QBIC)，其拓撲性質也隨之消失。因此，過去關于BIC的研究通常會盡量減輕無序的影響。然而，無序性為結構控制提供了額外的自由度，這在波前調控應用中至關重要。因此，如何在BIC中引入有效的無序信息而不破壞BIC的拓撲特性，成為拓撲光學領域中的一個重要挑戰(zhàn)。

圖. 實-動量空間拓撲光子晶體效果示意圖

　　為了解決這一問題，清華大學深圳國際研究生院副教授宋清華團隊聯(lián)合新加坡國立大學教授仇成偉、洛桑聯(lián)邦理工大學教授羅曼·弗勒里(Romain Fleury)，首次提出了一種實動量拓撲光子晶體的概念(圖1)。該研究提出了無序輔助的實動量拓撲光子晶體，為拓撲光學領域的應用開辟了新的方向，這一創(chuàng)新性研究有望推動光子芯片等微納光學器件的發(fā)展，并可應用于高穩(wěn)定性高容量的光通信技術、復雜結構光的生成、高維量子糾纏技術、生物粒子的精細光學操控、AR/VR顯示器件等領域。

　　研究發(fā)現(xiàn)，光子晶體中存在一種特殊的BIC共振模式，該模式的場分布中也包含一個拓撲奇點，且圍繞該奇點的相位具有非平庸的拓撲荷。這種拓撲共振模式對結構微擾具有免疫性，當結構發(fā)生微小變化時，由于奇點的拓撲保護作用，該共振模式不會受到影響(圖2)，從而顯著地提高了BIC的穩(wěn)定性。該拓撲光子晶體的BIC動量空間拓撲奇點與實空間中的幾何相位分布共存，后者可用來引入無序狀態(tài)，從而編碼額外的波前調控信息。

　　圖. 具有對結構微擾免疫的拓撲共振模式。其電場分布在結構中心呈現(xiàn)一個奇點，相位分布具有非平庸拓撲荷，不受結構微擾的影響。

　　作為概念驗證，研究團隊通過在實空間中旋轉超表面結構引入幾何相位，利用兩個空間中的雙重拓撲荷，成功實現(xiàn)了具有嵌套圖案和高維拓撲荷的實-動量雙渦旋。此外，該研究還將全息圖像編碼到幾何相位中，并通過實驗驗證，成功恢復了高質量的超構全息圖和動量渦旋光束(圖3)。動量奇點的色散特性以及幾何相位的寬帶工作特性，使得兩個空間能夠實現(xiàn)波長控制的分離和重組，從而提供更高的可調性和信息容量。

　　圖. BIC處實現(xiàn)波前調控。通過幾何相位編碼形成的全息圖具有寬帶特性(上)，而由BIC拓撲產(chǎn)生的渦旋光具有窄帶特性。

　　相關研究成果以“無序輔助的實動量拓撲光子晶體” (Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal) 為題在線發(fā)表在《自然》(Nature)期刊上。