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1. 导读

近年来，光子拓扑绝缘体的出现促进了拓扑光子学的发展。然而，受材料平台和表征方法的限制，对拓扑光子学的研究大都集中在微波或光波领域。最近，光拓扑相的概念已经被用于太赫兹波导和电路中，而且被证明在太赫兹通信方面有着诱人的应用前景，这些光学拓扑结构有望实现紧凑且稳定的太赫兹器件。

近日，南开大学许京军教授、陈志刚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，首次实验演示了在同一块楔形铌酸锂光子芯片上实现太赫兹波的非线性产生和局域性的拓扑调控，并在动量空间进行直接观测。进一步分析对比了手性扰动对拓扑局域态和平庸局域态的影响，证实了手性扰动下太赫兹拓扑态的鲁棒特性。这项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便捷的方法，并且这种基于铌酸锂芯片对太赫兹波的调控也为多功能稳定紧凑的太赫兹集成回路的实现提供了新思路。

2. 研究背景

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耗地绕过拐角传输信息。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。

3. 创新研究

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的非线性产生、局域与非局域的拓扑调控。

3.1 SSH型渐变拓扑微结构的构建

研究人员实验上首次在集太赫兹波产生、传输和探测于一体的铌酸锂集成平台上制备了SSH型渐变拓扑微结构，并首次实现了对太赫兹波局域的拓扑调控。不仅利用该太赫兹集成平台实现了太赫兹波的演化及局域，并且通过将其映射到动量空间提供了带隙中拓扑态的直接可视化途径，从而为研究太赫兹拓扑现象和实现集成太赫兹器件提供了很好的平台。

图1 基于SSH模型构建的渐变拓扑微结构示意图和光学显微图

3.2 太赫兹波局域拓扑调控的实现

利用飞秒激光脉冲线聚焦到铌酸锂拓扑微结构的中心缺陷处，通过非线性光整流效应产生太赫兹波，并探测太赫兹波的时空演化。长-长耦合缺陷（L-LD）区域（A、B），0.3 THz的本征态主要分布在中心缺陷处，其余能量分布在偶数格点，表明了其非平庸拓扑态的本质。在单周期结构的拓扑相变点（C），0.3 THz的本征态分布在整个结构中。短-短耦合缺陷（S-SD）区域（D、E），0.42 THz的本征态主要分布在中心缺陷，但在缺陷附近其他格点也有分布，表明其中的平庸态被激发。因此，太赫兹波沿着铌酸锂渐变微结构由上而下从拓扑非平庸局域态变为体态，然后变为平庸局域态，且随着远离中间拓扑相变点，局域逐渐增强，表现出拓扑性质可调谐的太赫兹波局域。

图2 在铌酸锂渐变拓扑微结构中实现对太赫兹波局域调控的实验和仿真结果

L-LD和S-SD这两个区域之间的显著差异是L-LD 中本征态的局域具有拓扑保护，而 S-SD 中观察到的局域是由平庸缺陷态产生的，不受拓扑保护。进一步的理论分析表明L-LD结构中的拓扑态在微扰下仍然鲁棒地存在于带隙中，而S-SD结构中的平庸态在扰动下受到严重影响并且有可能耦合到体态中。研究人员进而分析了扰动对缺陷态和体态之间耦合的影响，发现在30%的微扰下，已经有近一半的平庸缺陷态耦合进体态。而即使在60%高扰动比下，拓扑非平庸态仍然保留了对太赫兹场的鲁棒局域。由此表明，拓扑结构可以用来抑制或消除太赫兹波的散射损失和衰减。

图3 手性扰动存在时拓扑非平庸态和平庸态鲁棒性差异的理论分析和模拟对比

4. 应用与展望

这项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，也为实现可用于各种应用（例如，无线通信、信号处理、生物传感和无损检测等）的多功能、稳定和紧凑的太赫兹光子集成电路开辟一条新的道路。未来对太赫兹频段其它拓扑现象的研究，包括Floquet和非厄米拓扑相，以及太赫兹波的集成与操控都会带来更多设计思路。

论文信息：

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。

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、宋道红等为论文的合作作者。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、111引智基地、中国博士后科学基金会和国家长江学者创新团队发展计划的资助。

Wang JY., Xia SQ., Wang RD., et al. Topologically tuned terahertz confinement in a nonlinear photonic chip. Light Sci Appl 11, 152 (2022).

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00823-7