光波导间耦合强度的控制是提高光芯片集成度的关键。然而，传统的倏逝波耦合或基于的光子晶体的波导耦合方式，通常将耦合距离限制在亚波长范围内，极大地制约了光子集成电路芯片的设计自由度。针对这一瓶颈，新加坡南洋理工大学Ranjan Singh教授团队创新性地提出了“超耦合”概念，并在实验中成功实现了相距五个波长的波导高效耦合。基于超耦合原理，研究团队设计出了超耦合的光芯片架构，使得在同一芯片上实现远距离的光子电路互联和降低波导间的信号串扰成为可能。这一技术有望进一步提高光芯片的集成密度，从而容纳更多片上功能器件。该成果以题为《硅拓扑波导间的光子超耦合》（Photonic supercoupling in silicon topological waveguides）的论文，发表在国际顶尖材料期刊《Advanced Materials》上。论文的第一作者为南洋理工大学物理系博士生贾日东，通讯作者为Ranjan Singh教授（现任美国圣母大学教授）。
光波导之间能够实现多远的高效耦合？传统的耦合的方式主要依赖倏逝场或光子晶体中的散射波。然而，这些方法不仅将耦合距离限制在深度亚波长，并因动量失配导致显著的耦合损耗。为了突破这一限制，一种思路是构建长尾波导模式。但用传统的方式，如减小芯层与包层的折射率差，不仅在片上难以实现，而且很难保证动量匹配，从而限制了实际应用的可能。在谷霍尔拓扑波导中，这一问题有了新的解决方案。通过简单调节体域中的对称性破缺的强度，可以在亚波长至多个波长的范围内灵活调节模式尾部的长度。更重要的是，拓扑波导耦合过程中的谷锁定动量能够有效减少散射损耗，使耦合过程极为高效。这种谷动量守恒的耦合过程被可视化为谷涡旋能量流动。
研究团队在太赫兹硅拓扑芯片上成功实验验证了远距离高效超耦合。当波导间的耦合距离在三个波长内时，耦合比高达98%；即使耦合距离增加至五个波长，耦合比仍能达到86%。并且芯片的总插入损耗仅为2.55 dB。此外，团队实验展示了超耦合的芯片，利用简洁的渐变层联接两个具有不同耦合强度的区域：高耦合区和隔离区。在控制耦合面积相同的情况下，该芯片同时实现了91%的高耦合比以及-30 dB的高隔离度。超耦合的方法还被进一步应用于远距离激发拓扑光学谐振腔，以及缩小拓扑定向耦合器的尺寸。研究团队还系统性地比较了超耦合和其它传统耦合方式，探讨了将超耦合方法集成到现有芯片技术中的潜力，并评估了其在其它波段（如红外和光波段）及不同材料平台（如砷化镓、氮化硅）上的适用性。
图一：谷动量匹配的远距离波导超耦合。（a）示意图。（b，c）对称性调节以及单元结构和拓扑边界态的色散图表。（d）波导耦合区域的谷涡旋。
图二：超耦合的拓扑集成硅芯片功能器件。（a，b）同时实现波导隔离和相距多个波长的波导耦合的超耦合芯片。（c，d）激发距离为三个波长的超耦合拓扑腔。（e，f）简洁的拓扑定向超耦合器。
超耦合的概念拓宽了传统波导耦合的边界，为光芯片的设计带来了更高的自由度。通过实现远距离的波导互联，超耦合方法能够减少对间接耦合器件或复杂的波导排布的依赖，从而显著提升光芯片的面积利用率。超耦合还展现出在其它功能器件中的广阔应用前景，例如用于实现远距离激发的激光器、传感器以及量子计算元件。这些潜在的应用为片上光子技术的未来发展开辟了新的方向。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202415083
光波导间耦合强度的控制是提高光芯片集成度的关键。然而，传统的倏逝波耦合或基于的光子晶体的波导耦合方式，通常将耦合距离限制在亚波长范围内，极大地制约了光子集成电路芯片的设计自由度。针对这一瓶颈，新加坡南洋理工大学Ranjan Singh教授团队创新性地提出了“超耦合”概念，并在实验中成功实现了相距五个波长的波导高效耦合。基于超耦合原理，研究团队设计出了超耦合的光芯片架构，使得在同一芯片上实现远距离的光子电路互联和降低波导间的信号串扰成为可能。这一技术有望进一步提高光芯片的集成密度，从而容纳更多片上功能器件。该成果以题为《硅拓扑波导间的光子超耦合》（Photonic supercoupling in silicon topological waveguides）的论文，发表在国际顶尖材料期刊《Advanced Materials》上。论文的第一作者为南洋理工大学物理系博士生贾日东，通讯作者为Ranjan Singh教授（现任美国圣母大学教授）。
光波导之间能够实现多远的高效耦合？传统的耦合的方式主要依赖倏逝场或光子晶体中的散射波。然而，这些方法不仅将耦合距离限制在深度亚波长，并因动量失配导致显著的耦合损耗。为了突破这一限制，一种思路是构建长尾波导模式。但用传统的方式，如减小芯层与包层的折射率差，不仅在片上难以实现，而且很难保证动量匹配，从而限制了实际应用的可能。在谷霍尔拓扑波导中，这一问题有了新的解决方案。通过简单调节体域中的对称性破缺的强度，可以在亚波长至多个波长的范围内灵活调节模式尾部的长度。更重要的是，拓扑波导耦合过程中的谷锁定动量能够有效减少散射损耗，使耦合过程极为高效。这种谷动量守恒的耦合过程被可视化为谷涡旋能量流动。
研究团队在太赫兹硅拓扑芯片上成功实验验证了远距离高效超耦合。当波导间的耦合距离在三个波长内时，耦合比高达98%；即使耦合距离增加至五个波长，耦合比仍能达到86%。并且芯片的总插入损耗仅为2.55 dB。此外，团队实验展示了超耦合的芯片，利用简洁的渐变层联接两个具有不同耦合强度的区域：高耦合区和隔离区。在控制耦合面积相同的情况下，该芯片同时实现了91%的高耦合比以及-30 dB的高隔离度。超耦合的方法还被进一步应用于远距离激发拓扑光学谐振腔，以及缩小拓扑定向耦合器的尺寸。研究团队还系统性地比较了超耦合和其它传统耦合方式，探讨了将超耦合方法集成到现有芯片技术中的潜力，并评估了其在其它波段（如红外和光波段）及不同材料平台（如砷化镓、氮化硅）上的适用性。
图一：谷动量匹配的远距离波导超耦合。（a）示意图。（b，c）对称性调节以及单元结构和拓扑边界态的色散图表。（d）波导耦合区域的谷涡旋。
图二：超耦合的拓扑集成硅芯片功能器件。（a，b）同时实现波导隔离和相距多个波长的波导耦合的超耦合芯片。（c，d）激发距离为三个波长的超耦合拓扑腔。（e，f）简洁的拓扑定向超耦合器。
超耦合的概念拓宽了传统波导耦合的边界，为光芯片的设计带来了更高的自由度。通过实现远距离的波导互联，超耦合方法能够减少对间接耦合器件或复杂的波导排布的依赖，从而显著提升光芯片的面积利用率。超耦合还展现出在其它功能器件中的广阔应用前景，例如用于实现远距离激发的激光器、传感器以及量子计算元件。这些潜在的应用为片上光子技术的未来发展开辟了新的方向。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202415083
