近日，南开大学许京军教授、陈志刚教授、张心正教授领导的课题组与加拿大国家科学研究院Roberto Morandotti教授的课题组合作研究，在太赫兹拓扑光子学领域取得了重要进展：他们基于SSH模型，首次实验演示了在楔形铌酸锂光子芯片上对基于非线性产生的太赫兹波的拓扑调控，实现了太赫兹拓扑局域态在动量空间的直观观测。并分析对比了手性扰动对拓扑局域态和平庸局域态的影响，进一步证实了手性扰动下太赫兹拓扑态的鲁棒特性。该研究成果以“Topologically tuned terahertz confinement in a nonlinear photonic chip”为题在线发表在Light:Science&Applications。
近年来，太赫兹波由于其高安全性、高穿透性和高带宽等优良特性，在国防安全、生物医学、无线通信、无损检测、传感和成像等诸多领域有着广泛的应用需求。然而，太赫兹器件的性能不可避免地会受到制备缺陷以及其周围环境扰动的影响。近些年迅猛发展的拓扑光子学为解决上述问题提供了新的方案。拓扑光子学主要研究受拓扑保护的光学拓扑态，其具有抗缺陷微扰的强鲁棒性，已经被用于实现稳定多功能拓扑光子器件，如宽带单向传输的波导、具有鲁棒性的光二极管、光延迟线、分光器和拓扑绝缘体激光器等。
然而，目前受材料平台和表征手段的限制，对拓扑光子学的研究主要集中在微波和光波领域。最近，光拓扑相的概念已经被用于太赫兹波导和电路中，太赫兹波在拓扑保护下可以几乎无损地通过锐利的弯曲传输信息。因此，光学拓扑结构为实现紧凑且稳定的太赫兹器件提供了新的方向和设计思路。
在本工作中，研究人员展示了一种基于片上铌酸锂集成平台实现太赫兹波局域调控的方法。在实验和理论上观察并分析了太赫兹波沿着铌酸锂渐变微结构表现出的可调谐的局域和拓扑性质，并进一步的分析证实了手性扰动存在时太赫兹拓扑态的鲁棒特性。相关工作为按需调控太赫兹波的局域和拓扑特性提供了一种灵活方便的方法，为实现诸如无线通信、生物传感和无损检测等的多功能、稳定紧凑的太赫兹光子集成电路开辟一条新的道路。相信未来对太赫兹频段拓扑现象的更多研究，将会为太赫兹波的集成与操控带来更多有趣且高效的设计思路。
图：基于SSH模型构建的渐变拓扑微结构示意图和光学显微图
本工作南开大学为第一完成单位，南开大学博士生王佳艺和博士后夏士齐为共同第一作者。南开大学的陈志刚教授、许京军教授与张心正教授为共同通讯作者。南开大学的吴强教授、加拿大国家科学研究院RobertoMorandotti教授为论文的合作作者。此项工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金会等的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-022-00823-7