Advanced Optical Materials：主动可调光子拓扑绝缘体——片上集成器件新途径

光子拓扑绝缘体受到自身能带拓扑性质的保护作用，其支持的光子拓扑态具有天然的对缺陷微扰免疫的功能，因而在微纳集成光子器件中具有重要的潜在应用。光子拓扑态的主动可调是光子拓扑绝缘体在微纳光子器件中应用的前提之一，而光子拓扑绝缘体的缺陷微扰免疫的特性是与主动可调相矛盾的。二维光子拓扑绝缘体和三维光子拓扑绝缘体的样品制备加工难度较大，因而限制其在片上集成光子器件中的实际应用。一维光子晶体结构简单、易于制备，能够实现一维光子拓扑态，然而一维光子晶体要求薄膜平面尺寸无限长，难以实现片上集成应用。因此，如何实现主动可调的光子拓扑绝缘体就成为制约其在器件中应用的瓶颈限制。

北京大学龚旗煌院士和胡小永教授领导的研究团队提出一种实现片上集成光子拓扑绝缘体的新方法，直接在硅基芯片上的集成光子回路中实现基于光子晶体光栅异质结的片上集成一维光子拓扑态。将厚度为220 nm的VO2/SiO2光子晶体光栅异质结与标准的220 nm厚硅波导相连接，光子晶体光栅异质结的上下表面均覆盖300 nm厚SiO2缓冲层和50nm厚金薄膜，通过金薄膜的反射作用，保证了光子晶体光栅异质结的良好的光子能带效应及其拓扑特性。在光子晶体光栅异质结界面处获得了波长为1550 nm的一维光子拓扑态。进一步利用VO2的绝缘体-金属相变，在室温时VO2处于绝缘体相，VO2/SiO2光子晶体光栅异质结能支持一维光子拓扑态，波长为1550 nm的信号光能够通过光子晶体光栅异质结；当温度超过65 oC时VO2处于金属相，VO2/SiO2光子晶体光栅异质结不能支持一维光子拓扑态，波长为1550 nm的信号光处于光子禁带而不能通过光子晶体光栅异质结。由此实现热光开关调控光子拓扑态。这项工作不仅为光子拓扑绝缘体在片上集成微纳光子器件中的应用奠定了基础，而且为探索拓扑光子学新新奇物理效应提供了一个片上的研究平台。

相关文章在线发表在Advanced Optical Materials（DOI：10.1002/adom.201701071）上。