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图1 用于光通信的能谷光子晶体可热调分插复用型滤波器示意图
1. 导读
拓扑光子晶体凭借抑制背向散射和单向传输等优异特性，近年来备受关注，被视为实现集成光通信的有潜力平台之一。随着研究的深入，量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应和量子能谷霍尔效应等光学拓扑效应相继被实现，极大地促进了拓扑光子学的发展。其中，量子能谷霍尔拓扑绝缘体因具有易于片上实现、损耗低等优势，已逐渐成为最具应用前景的拓扑光子平台，适用于设计低损耗、小尺寸的片上光通信器件。然而，如何基于能谷光子晶体实现高效的可调谐拓扑器件，仍然缺乏深入研究。针对这个问题，近日上海交通大学苏翼凯教授团队孙璐副教授与中山大学董建文教授团队合作在Nanophotonics发表最新文章，设计并实验实现了一种基于能谷光子晶体的在通信波长下工作的超紧凑、可热调能谷光子晶体分插复用型滤波器（见图1）。为了验证该器件在实际通信系统中的可行性，研究人员还使用该器件进行了片上高速数据传输实验。该研究成果显示了利用热调硅基能谷光子晶体开发高性能拓扑光子器件的巨大潜力，为在芯片上实现拓扑保护和可重构的高速数据链路提供了可能。2. 研究背景
近年来，科学家们将能谷自由度引入到光子晶体结构中，实现了二维光子晶体中的量子能谷霍尔效应。由于光量子能谷霍尔系统只需要通过打破空间反演对称性来获得，基于全介质的二维能谷光子晶体可以很容易地被设计出来，并可结合已有的CMOS加工技术制备纳米光子器件。可调谐或可重构拓扑光子器件在光信号切换和路由等领域的应用至关重要。为了满足对信号切换的需求，近年来提出了多种可调谐拓扑器件，包括热光开关和微机械开关等。这些器件本身的尺寸较大不利于片上集成，所以对于小尺寸、可热调的拓扑光子器件研究尤为重要。3. 创新研究
研究团队在顶层硅厚为220
nm的SOI基片上设计并制备了一种晶格常数为430
nm的能谷光子晶体。随后，研究人员基于该光子晶体结构设计了一个紧凑的、可热调的拓扑分插复用型滤波器，尺寸为17.4
× 28.2 μm2，可用于通信波段。该滤波器创新地采用了菱形微环谐振腔结构，一个由2 μm宽的钛组成的微加热器被放置在微环谐振器的顶部以进行热调谐，如图2（a）和2（b）所示。研究人员通过仿真证明，在谐振波长下，光进入微环谐振器，并从drop端口输出。然而，对于非谐振波长，光则从through端输出，不会耦合到微环谐振器中，如图2（c）所示。图2（d）和2（e）分别显示了有热调和无热调的透射光谱，可以发现，温度上升76 K就足以将谐振振波长从1543.9 nm 红移到 1550 nm。这是因为当微加热器导致温度升高时，硅的折射率会发生变化，从而导致边缘态的有效折射率发生变化（见图2（f））。![]()
图2 拓扑分插复用型滤波器的样品图片与理论分析
随后，研究人员对该器件进行了实验制备和测试。结果表明，随着热调功率的增加，可以观察到1540
nm附近的谐振波长发生了明显的红移，如图3（a）所示。当施加23.97 mW 的电功率时，1539.2 nm波长处的光会从drop端口切换到through端口。该分插复用型滤波器的调谐效率为 0.176 nm/mW，如图3（b）所示。研究人员还在微加热器上施加了由任意波形发生器产生的 1
kHz 方波电信号，测得上升沿和下降沿的10%-90% 开关时间常数分别为18 μs和16 μs，如图3（c）和3（d）所示。![]()
图3 拓扑分插复用型滤波器的实验测试结果
为了验证这种拓扑光子器件在实际光通信系统中的应用，研究人员使用66-GBaud的PAM-4信号对可热调拓扑分插复用型滤波器进行了高速数据传输实验。针对四种端口连接配置均实现了119.77
Gb/s的净数据传输速率，验证了可热调拓扑分插复用型滤波器用作片上光通信功能器件的可行性。4. 应用与展望
研究团队提出并通过实验证明了一种基于能谷光子晶体的可热调拓扑分插复用型滤波器。该器件在工作波长上实现了17.4
× 28.2 μm2的紧凑尺寸和小于2.7 dB 的插入损耗。在结构上，该器件采用菱形微环谐振器来限制光并增强其与热场的相互作用。因此，仅需23.97
mW的低电功率即可通过热调谐实现两个输出端口之间光功率的切换。此外，研究人员还基于该器件进行了66-GBaud
PAM-4信号的高速数据传输实验，成功实现了119.77
Gb/s的净数据传输速率，表明其具备支持片上超高数据率光通信的能力。我们的研究证明了利用可热调硅基能谷光子晶体实现高性能可调谐器件的可行性，并为拓扑光子学在实际应用如光通信、纳米光子学和量子信息处理等领域的进一步发展奠定了基础。该研究成果以“Thermally
tunable add-drop filter based on valley photonic crystals for optical
communications”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Lu Sun, Xingfeng Li,
Pan Hu, Hongwei Wang, Yong Zhang, Guojing Tang, Xintao He, Jianwen Dong, and Yikai Su，其中Lu Sun副教授为第一和通讯作者。孙璐副教授隶属于上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室苏翼凯教授团队。
