拓扑光子学被认为是光子世界里的“量子霍尔”革命。如同电子可在拓扑绝缘体边缘无阻碍传导一样，光在拓扑光学结构中也能以边缘态的形式传播，展现出极强的抗干扰单向传播鲁棒性和集成光学应用前景。在集成光芯片中实现光学非线性效应的拓扑调控和高效输出，是该领域的一个重点与难点。因此，探索可拓扑的二阶非线性集成光学器件，成为一个日益凸显的前沿科学问题。
近日，上科大物质学院沈晓钦课题组在学术期刊《通讯-物理学》(Communication Physics) 上发表了题为“Broadband nonlinear microresonator arrays enable topological second harmonic generation”的研究论文。首次提出了一个基于微环谐振腔二维阵列的拓扑二次谐波产生理论方案，为进一步在先进集成光学平台上开发具有拓扑保护的非线性器件、可编程逻辑门和量子光源提供了关键的理论基础。
研究人员提出的“双频拓扑带隙工程”理论方案，巧妙借鉴了理想拓扑阵列中倍频光“拓扑失效”的关键问题，使得基频光和倍频光在阵列中“感受”到对应的人工合成磁场，各自满足拓扑保护条件。这相当于在一个微环阵列中为两束跨倍频程的光构建了一个互不干扰且受拓扑保护的“高速公路”。通过宽带“拓扑相位匹配”，产生拓扑二次谐波。该模型还揭示了可编程的二次谐波“手性传播”现象。通过调节阵列中晶格的累积相位，可实现二次谐波边缘态的拓扑陈数符号翻转，反转其传播方向。此外，得益于边缘态的相关增强作用，所设计8×8阵列中谐波的理论效率比单个微环器件提升两个数量级。值得注意的是，在本论文发表之际，国际同行在《科学》（Science）杂志报道了二维微环阵列拓扑二次谐波的首次实验观测结果，间接表明了本理论工作的前瞻性和重要性。
图一：非线性微环阵列拓扑二次谐波拓扑保护原理示意图
上海科技大学物质学院硕士研究生王若宇为论文第一作者，助理教授沈晓钦为论文通讯作者，合作者包括助理教授潘义明。
论文标题：Broadband nonlinear microresonator arrays enable topological second harmonic generation
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