南京大学李涛教授、祝世宁院士团队在光子集成方面取得重要进展，他们将拓扑光子领域中人工规范场的思想引入到集成光子器件的设计中，利用弯曲设计实现高密度集成波导之间的无色散耦合，从而实现宽带、鲁棒性、高集成的光波导定向耦合与分束性能，并展示三级级联的1x8光集成网络功能。

该成果以「Dispersionless Coupling among Optical Waveguides By Artificial Gauge Field」为题发表于物理学顶级期刊《物理评论快报》上。南智先进光电集成技术研究院有限公司为该项成果提供了相关的工艺支持。

文章同时作为Editors’ Suggestion和Featured in Physics在PRL网站首页重点推荐。Physics杂志以「Curved Light Channels Have Better Coupling」为题发表亮点报道。

该论文通讯作者为南京大学现代工学院李涛教授，第一作者是现代工学院助理研究员宋万鸽博士，合作者包括上海科技大学邹毅教授。该工作得到祝世宁院士的悉心指导。

在前期的工作中，该研究团队已经在高密度集成的弯曲硅波导中实现了亚波长自成像功能（Adv Photon 2, 036001），人工规范场诱导的拓扑界面态（Laser Photon. Rev. 15, 2000584 (2021)），演示了人工规范场在亚波长尺度上控制光的可能性，以及在集成光子学的应用前景。在这项工作中，研究人员精心研究了耦合波导之间色散的来源，提出了通过调控波导弯曲可以引入一个新的人工规范场（AFG）色散项。在选择合适的参数下，AFG色散项可以与传统直波导的色散相反，并在一定波长范围内实现完全补偿，达到零色散特性。

同时，可以保持耦合波导的间距和耦合距离没有明显变化，这就赋予了高密度集成波导的宽带耦合功能，即不同频率的光都可以耦合到相邻波导中（见示意图1）。得益于这个宽带特性，其耦合效应对波导间距敏感度也显著降低，具有结构鲁棒性，大大有利于大规模光子集成。

图1. 波导间的无色散耦合示意图

审稿人认为该工作「in an interesting way it is demonstrated how fundamental physics effects that were first discovered in the context of solid state systems with non-trivial topological characteristics, can be applied to improve existing photonic devices.」（该工作有趣地展示了如何将原先在凝聚态系统中发现的拓扑效应用于提升现有的光子器件的性能上）。相关技术已经申请中国发明专利并获得授权（专利号：ZL202010690095.X），并已申请英国发明专利（公开号：2602757）。

该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学登峰人才计划等项目的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.053901

--南智光电、两江科技评论