董建文教授研究组在拓扑光子学方面取得重要进展： 从各向异性到全电介质拓扑光子晶体新方案

       光传输是当今信息时代的关键核心技术，其中光信息的高效传输变得越来越重要。众所周知，当满足光纤全反射条件时，光能在光纤中高效传输。但当光纤出现大角度弯折时，全反射条件失效会引起低效传输。另一方面，随着集成光子器件的小型化，光信号在亚波长波导中传输时，遇到大角度转弯，也会发生强烈散射而引起低效传输。而定向传输更是高效传输中不可或缺的重要技术之一。

       拓扑学（Topology）是研究几何图形或空间在连续改变形状后、某些性质不变的方法，如哥尼斯堡七桥问题（亦称一笔画问题）和四色问题等是拓扑学发展史上的著名问题。物理学家通过研究动量空间中电磁场的连续变化，发现用陈（省身）数符号不同的两类拓扑光子晶体、所构成的大角度转弯光波导，能实现宽带抗散射光高效传输。目前，人们提出了各种各样的拓扑光学超材料，并往简单结构、非磁性材料（通常光学材料的相对磁导率为1）、乃至全电介质材料方向发展。

       近日，中山大学物理学院董建文教授和陈晓东副研究员，在拓扑光子学方面取得重要进展。他们提出利用各向异性超材料实现受拓扑保护的抗散射传输。他们利用各向异性超材料分别独立调控横电模（TE）和横磁模（TM）的色散行为，打破了双狄拉克锥的四重简并点。随后，研究组提出了一种更为简单的新方案。他们在陶瓷组成的全电介质拓扑光子晶体中，通过微波近场扫描技术，直接观察到宽带抗散射传输。他们还利用微波涡旋源，观察到分光比从0.1至0.9连续可调的定向传输行为，实验证实了光子能谷体态的选择性激发。上述结果在微纳光子学、拓扑光子学、自旋光子学、以及下一代光信息的高效传输和处理等方面，带来了新的启示。

左图：各向异性拓扑光子晶体中色散独立调控和双狄拉克锥。

右图：全电介质光子晶体中宽带抗散射传输和可调定向传输。

       上述成果分别以“Accidental Double Dirac Cones and Robust Edge States in Topological Anisotropic Photonic Crystals”和“Tunable Electromagnetic Flow Control in Valley Photonic Crystal Waveguides”为题，于2018年10月正式发表在Laser & Photonics Reviews 12, 1800073 (2018)和Phys. Rev. Applied 10, 044002 (2018)上。两篇论文的第一作者是物理学院陈晓东副研究员，通讯作者是董建文教授。其中，Laser & Photonics Reviews由中山大学独立完成。Phys. Rev. Applied的共同第一作者是物理学院石福隆博士生，共同通讯作者是东南大学信息科学与工程学院程强教授。两项工作均得到教育部青年国家级人才项目计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、光电材料与技术国家重点实验室等大力资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.201800073 

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.044002