近日，由我校学术委员会主办的“2023年度华中科技大学重大学术进展”评选活动入选成果揭晓。我院王兵、王凯、秦承志、刘为为、陆培祥等老师的研究成果《合成维度光子调控技术及应用》成功获评。

集成光子芯片是下一代信息技术的基石。与电子芯片相比，光子芯片展现出了诸多优越性：更低的传输损耗、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力。然而，集成光子芯片的发展也面临一系列技术瓶颈，例如：集成光子芯片中波导的调制效率较低、调制强度弱；光信号在传输过程存在损耗，长距离传输使得光强衰减严重；光子芯片对微纳加工的精度要求高，制备过程中的缺陷对光传输影响较大。为此，以物理学院王兵教授为负责人的微纳光子学团队提出利用合成维度光子调控技术，为解决光子芯片技术难题提供了可行的方案。光子学中的合成维度是在空间维度基础上人为引入的额外维度，如频率、时间、偏振、赝自旋等，也可以是系统的任意参数。构建合成维度光子晶格，利用其高效的调控手段有助于解决芯片调制的技术难题。其次，将能谷赝自旋等合成维度作为信息载体，可以降低信息传输的损耗。此外，利用合成维度参数空间的拓扑性质，能避免制备缺陷对信息传输的影响。

图1动态局域与时域隐身

为了验证合成维度光子调控技术的有效性，团队首先利用光纤通信系统构造合成维度晶格对其光子调控能力进行理论和技术验证。利用光纤双环中的脉冲演化构建时域合成维度光子晶格，横向格点为每个光纤环中光脉冲出现的时间，纵向格点为演化的步数。通过在光纤环路中引入相位调制，构建动态等效光子规范势，实现了不同阶数的动态局域效应，而高阶动态局域具有更强的抗干扰能力。利用动态局域效应，团队在实验上演示了窗口可调的时域隐身斗篷。该技术验证了等效光子规范势在合成维度光子调控中的重要作用，在信号传输、处理和保密通信等领域具有重要的应用价值。利用合成维度光子调控技术，团队还实现了对朗道-齐纳隧穿效应的有效调控，设计了分光比可调的时域分束器和编码器，演示了从0001到1111的4比特时域全光数字编码。通过引入等效标势和矢势构造不同取向的规范势界面，揭示了波包在时域界面的折射和反射特性，并利用复合界面实现光子时域阿哈罗诺夫-玻姆(Aharnov-Bohm)效应。

图2 Au-WS2-TiO2微纳波导环形器及谷光子定向路由

团队在光纤系统基础上，进一步考虑把合成维度系统集成到光子芯片上。为了克服损耗导致的光信息丢失，利用合成维度的能谷赝自旋作为信息载体来设计新型光子芯片。能谷赝自旋作为除了电荷和自旋以外的新自由度，可用于信息的编码、处理和存储。相比传统电子器件具有更低的能耗，更快的处理速度。由于室温下能谷退极化寿命非常短，迁移率较小。如何提高谷极化率，并实现谷光子的空间分离和功能操控，是能谷光子器件中亟待解决的问题。团队在前期基于复合超构表面的谷光子相干操控的工作基础上，针对能谷微纳器件中谷光子的保真传输与分发的难题，提出了新型Au-WS2-TiO2复合微纳波导环形器，成功实现了二维材料中谷光子偏振操控的定向路由，为构建集成能谷光子器件奠定了坚实基础。实验测得谷偏振度高达46%，保真传输距离达10 μm，显著地优于之前相关报道中的数值，是目前谷光子器件研究领域中的最好结果，有望解决能谷光子增强、保真传输及分发等的关键问题，为构建大规模集成谷光子逻辑计算芯片奠定坚实基础。美国圣路易斯华盛顿大学S. H. Bae教授及合作者在Nature Review Materials发表综述文章，详细介绍并高度评价了团队近年来在能谷光子相干操控、分发和定向路由等的系列研究工作，指出利用新型光学微纳波导结构结合二维材料异质结，可在增强光与物质相互作用的同时，实现出射光场的灵活操控。

图3片上集成模式手性转换器件与手性模式转换

为了提高系统的抗干扰性，团队还设计了基于合成维度光子拓扑调控的集成光子芯片。利用亚波长光栅波导构造了反宇称-时间对称系统，通过波导之间间距的变化构建二维合成维度参数空间，可在1.55μm通信波长下对参数空间中奇异点（EP）进行动态绕圈，实现两种对称破缺模式之间的手性转换。这种手性模式转换具有拓扑性质，仅取决于绕圈是否包括奇异点，对系统参数的变化不敏感，因而有利于抑制加工精度偏差的影响，提高光子芯片制备的成品率。

上述成果分别发表在Nat.Nanotech., Nat. Comm., Sci. Adv., PNAS,Laser & Photon. Rev.等重要国际期刊上，得到国内外同行的广泛关注。长期以来，团队成员依托华中科技大学物理学院基金委创新研究群体和武汉光电国家研究中心，在微纳光子学合成维度领域做出了卓有成效的工作，为解决集成光子芯片技术难题开辟了新的途径，为大规模光子集成提供了新的理论和技术支持。