近日，哈爾濱工業大學物理學院丁衛強教授課題組在拓撲光子芯片領域取得重要突破，相關研究成果以《基于橫向自旋匹配機制的拓撲光子晶體波導的高效耦合》(Efficient coupling of topological photonic crystal waveguides based on transverse spin matching mechanism)為題發表于《自然通訊》(Nature Communications)。
 

　　拓撲光子波導因魯棒傳輸特性備受關注，但其與片上功能器件的低輸入/輸出耦合效率制約實際應用。傳統模式匹配方法依賴電場模式的嚴格對準，但針對拓撲波導時效率較低。丁衛強教授團隊通過理論計算與實驗驗證，首次揭示了橫向自旋匹配(TSM)是拓撲波導高效耦合的關鍵機制。研究發現，橫向自旋與能量流傳播方向通過自旋−動量相互作用而鎖定，通過調控橫向自旋分布可實現能量單向傳輸。基于此，團隊利用遺傳算法設計出尺寸僅1.2×0.8 微平方米的超高效率耦合器，理論傳輸效率96.3%，實驗測量也高達94.2%，較此前報道結果提升顯著。研究表明橫向自旋匹配(TSM)機制具有普適性，可擴展至其他拓撲結構，且耦合效率可通過進一步的深度優化繼續提升(數值模擬結果顯示效率能夠超過99%)。該成果為拓撲光子芯片的大規模功能集成奠定了理論基礎。
 

 

       橫向自旋匹配實現波導與拓撲波導高效耦合

 

　　哈工大為論文第一完成單位。物理學院助理研究員史博建、賈琦和博士研究生李效欣為共同第一作者，物理學院丁衛強教授、曹永印副教授、馮睿老師，新加坡國立大學仇成偉教授為論文共同通訊作者。物理學院博士研究生李航、張燕霞、高艷雨、高文雅等人也對論文發表作出重要貢獻。
 

　　該研究獲國家自然科學基金、黑龍江省自然科學基金杰出青年項目支持。