导读
人类对于捕获和囚禁光一直非常痴迷，实现将光限制在具有微纳米尺度的片上光学谐振腔中，以增强光与物质的相互作用，对光学和量子科学的发展与应用都具有重要意义。如果把光学谐振腔比作囚禁光子的“牢笼”，那么本征品质因子（Intrinsic quality factor，Qin）便反应了这个“牢笼”困住光子时间长短的能力，而自由光谱范围（Free spectra range，FSR）则代表了“牢笼”所能困住的不同光子频率之间的间隔。对于单模激光器、片上量子光源、大容量通信等诸多应用而言，同时实现高Qin和大的FSR至关重要。
近日，新加坡南洋理工大学的研究团队提出了一种新型片上光学谐振腔，利用能谷拓扑边界态将光局域在三角形谐振腔内，通过调控能谷拓扑边界态的辐射特性与群折射率，实现了Qin三个数量级的提升，同时FSR从5.1 GHz增大至7.1 GHz。相关研究成果以“On-chip topological edge state cavities”为题发表于Light: Science & Applications。王文昊博士为论文第一作者，Ranjan Singh教授为通讯作者。此外，南洋理工大学的沈忠磊博士，Yi Ji Tan博士以及陈恺吉博士生也对这项工作做出了重要贡献。
拓扑边界态光学腔（TESC）
近年来，拓扑能谷光子晶体利用能谷自由度操纵光的传播，已成为设计低损耗、紧凑型光子芯片的重要平台。其突出优势之一在于，畴壁上存在的拓扑边界态（topological edge state）能够实现光的稳健单向传输，即便经过急转弯，能量损耗也几乎可以忽略不计。如果将拓扑光波导弯折成闭合回路（图1b），光将沿回路循环传播。当满足相干条件时，特定频率的光会被局域在回路中形成共振，该回路即构成光学谐振腔。
图1：拓扑边界态光学腔（TESC）
通过对谐振模式的本征电场进行傅里叶变换，得到其在动量空间中的分布与波矢信息，研究团队揭示这些谐振模式的色散曲线与拓扑边界态的能带几乎完美重合（图1c），表明这些谐振模式源于谐振腔有限尺寸所导致的离散波矢处的拓扑边界态。因此，该谐振腔被命名为拓扑边界态光学腔（Topological edge state cavity，TESC）。进一步研究发现，这些谐振模式对应的波矢k满足关系式：k = m·2π/Reff，其中m为模式的阶数，Reff为腔体往返长度。
图2a展示了不同尺寸TESC所支持模式的本征谐振频率与Qin。随着TESC尺寸增大，拓扑带隙内可支持的谐振模式数量逐渐增多，Qin得到显著提升，而FSR随之减小。这一变化规律与传统微环谐振腔中回音廊模式（whispering gallery mode，WGM）的尺寸缩放规律一致。通过硅基刻蚀工艺制备的太赫兹频段TESC样品（图2b）进一步验证：随着TESC尺寸增大，实验测得的Qin从2,162提升至17,424，而FSR则从18.5 GHz减小至4.2 GHz。
图2：TESC的Qin以及FSR随光腔大小变化的缩放规律
高Qin（“鱼”）与大FSR（“熊掌”）兼得
由于TESC的谐振模式源自拓扑边界态，因此改变边界态本身的特性为调控TESC的Qin和FSR提供了新的自由度。如图3所示，通过改变拓扑能谷光子晶体的面内180° 旋转对称性（C2），拓扑边界态可从光锥线上方移至下方，同时能带斜率变陡，即群折射率降低。因此，调节C2对称性破缺的程度，可实现TESC从辐射态到束缚态的转变。
图3：TESC的辐射态和束缚态
研究进一步表明，通过调控C2对称性破缺，在相同尺寸的TESC中，Qin从67大幅提升至219,520，增幅达三个数量级；同时，FSR从5.1 GHz增大至7.1 GHz（图4），真正实现了“鱼”与“熊掌”兼得。
图4：C2对称性破缺对TESC模式Qin和FSR的影响
最后，研究团队实验验证了TESC辐射态与束缚态，测得的Qin从124提升至17,521，增幅达141倍（图5）。
图5：实验验证TESC的Qin提升141倍
总结与展望
这项研究基于能谷光子晶体的拓扑边界态，提出并验证了一种新型片上光学谐振腔——TESC。对拓扑边界态的辐射特性与群折射率的调控赋予了控制TESC的Qin和FSR新的自由度。作为一种新型光学谐振腔平台，TESC有望在光子芯片、非线性光学和量子光学等领域催生一系列创新应用。（来源：中国光学微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02017-3
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