Nanophotonics综述| 环型谐振腔中的拓扑态：前沿进展与未来展望

导读

拓扑光子学，作为新颖的光学研究领域，其覆盖了电磁学中相当广泛的研究方向，包括了微波电磁学与微纳光子学。绝大部分最新的研究聚焦于验证一些基本的物理概念，例如非互易性，以及免受干扰的波导传输。而接下去，拓扑光子学的发展也将侧重于解决一些潜在的应用可能性，去提高器件的性能。鉴于此，来自新加坡国立大学的Daniel Leykam高级研究员（Senior Research Fellow at the National University of Singapore）以及上海交通大学的袁璐琦特别研究员对于在基于环型谐振腔的系统研究拓扑光子学的进展进行了综述，并探讨了未来利用该系统的潜在应用前景。该文章发表在Nanophotonics，题为” Topological phases in ring resonators: recent progress and future prospects”。

研究发展概述

在光学系统中，环型谐振腔作为一种多功能性的重要器件，在集成光子学中有着非常广泛的应用。它可以被用来实现滤波器、光感应器、延迟器件、以及增强非线性光学效应的作用。近年来，通过将多个谐振腔耦合组合构建一个光学晶格结构、或者通过外部调节以及非线性过程去耦合单个谐振腔中的多个谐振态从而构建人工晶格，人们针对这两类晶格结构探索了拓扑光学效应，设计了拓扑能带结构，并实现了一定的拓扑保护。

综述速览

在这篇综述文章中，作者总结了在光子学中，环型谐振腔如何来提供一个高度可调的平台，来研究拓扑能带结构以及拓扑光学效应。文章首先对拓扑光子学以及环型谐振腔的一些基本概念进行了简要介绍，之后详细阐述了在耦合的环型谐振腔阵列中研究拓扑光学效应（图1），并讨论了在谐振腔组成的晶格系统中实现反常Floquet拓扑效应的实验工作（图2）。

图1. 环型谐振腔阵列中的等效磁场。A 环型谐振腔阵列示意图；B 谐振腔中的耦合项示意图；C 环型谐振腔阵列中实现拓扑边界态。

图2. 在谐振腔组成的晶格系统中实现反常Floquet拓扑效应。A 硅基谐振环阵列；B 单向边界态的激发；C 谐振腔系统的透射谱线图。

文章还对在环型谐振腔中，利用动态调制机制作为一个新的控制自由度，来操控拓扑光学效应的工作进行了综述讨论（图3）。并介绍了最近在单个环型谐振腔中实现两个独立合成维度，并在其中研究拓扑物理的实验工作（图4）。

图3. 动态调制下的谐振腔阵列产生等效磁场。A 通过动态调制耦合的一对谐振腔；B 在动态调制下的谐振腔阵列中产生拓扑边界态；C 通过动态调制在一维的谐振腔阵列中构建二维的包含光频率维度的人工合成空间；D 在该合成空间中产生拓扑边界态。

图4. 合成空间中的拓扑物理。A 单个环型谐振腔示意图；B 其所构建的人工合成晶格结构；C 实验透射谱；D 手征流与入射光频率的关联；E 光频率的单向转换。

本文最后对于在环型谐振腔中研究拓扑光学态的未来研究方向进行了相关展望，对今后的潜在应用前景进行了讨论。