來自美國賓夕法尼亞州立大學(xué),，匹茲堡大學(xué)和伊利諾斯大學(xué)的研究小組研究出一種限制光線的新方法，用該方法控制光線可以使光線對材料缺陷不敏感,。該方法基于“拓?fù)浔Ｗo(hù)”,，這是一個(gè)廣泛用于固態(tài)電子物理的概念，它可以幫助降低成本,，同時(shí)提高光子器件的速度,。

圖為拓?fù)渚w絕緣體晶格幾何中的波導(dǎo)陣列橫截面的顯微鏡圖像

利用波導(dǎo)晶格結(jié)構(gòu)，研究小組能夠保護(hù)中間帶隙處的模式頻率并且使光子缺陷模式體積最小化,。光線進(jìn)入波導(dǎo)陣列的一端,，并在通過波導(dǎo)傳播時(shí)被捕獲并被限制,，被困的光線不受波導(dǎo)中的缺陷影響，并且能夠承受晶格結(jié)構(gòu)中的顯著缺陷,。據(jù)研究人員介紹,，這種現(xiàn)象被稱為拓?fù)浔Ｗo(hù)，光線變得不靈敏,。

研究人員Mikael Rechtsman教授表示：“波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是所謂拓?fù)渚w絕緣體的光子模擬,，這種形式的拓?fù)浔Ｗo(hù)可以用于一系列光子器件，包括納米級激光器,，專用非線性光纖,，以及用于穩(wěn)定、精確耦合光子和電子以處理量子信息等,?！?/span>

研究人員通過觀察局限于陣列角落的拓?fù)淞隳５拇嬖冢陲w秒激光寫入的波導(dǎo)陣列中展示了這種方法,。該模式的穩(wěn)健性由拓?fù)洳蛔兞勘ＷC,，該拓?fù)洳蛔兞勘Ｗo(hù)嵌入二維環(huán)境中的零維狀態(tài)。據(jù)研究人員介紹,，這個(gè)實(shí)驗(yàn)展示了一種以前沒有證明的拓?fù)浔Ｗo(hù)形式,。

這種限制光線的方法可以使光子器件的生產(chǎn)成本更低，同時(shí)效率更高,。該實(shí)驗(yàn)提供了拓?fù)浔Ｗo(hù)的潛在跨學(xué)科應(yīng)用,，聯(lián)合光子學(xué)和固態(tài)電子學(xué)的例子，并展示了超出電子固態(tài)物理學(xué)這一現(xiàn)象的廣泛適用性,。

Rechtsman強(qiáng)調(diào)了捕捉光線并將其限制在非常小的空間中的重要性和挑戰(zhàn),。

Rechtsman說：“它將最大的光功率壓縮到材料內(nèi)部的最小區(qū)域或體積中，使其與材料之間的相互作用更強(qiáng)烈,，因此無論它做什么都更有效,。該方法的挑戰(zhàn)是強(qiáng)烈的禁閉使它對材料的任何缺陷都非常敏感，這往往會(huì)抑制效率,，或者使器件的制造成本非常昂貴,。我們的結(jié)果表明我們可以克服這個(gè)困難?！?/span>

“Topological protection of photonic mid-gap defect modes”Jiho Noh, Wladimir A. Benalcazar, Sheng Huang, Matthew J. Collins, Kevin P. Chen, Taylor L. Hughes & Mikael C. Rechtsman. Nature Photonics (2018). doi:10.1038/s41566-018-0179-3.