隨著人工智能、大數據、雲計算等信息技術的快速發展🍷，數據算力與運力需求呈現指數式增長，構建大規模🕕、高帶寬、高密度🧜🏿‍♂️、高能效的新型芯片體系架構是後摩爾時代的重要方向🚛。運用“光電融合”理念發展的大規模光電混合集成技術是解決後摩爾時代芯片架構的重要發展方向🏔，其中，亟需高能效、大帶寬和結構緊湊的光端口用於支撐光互連🧭，滿足諸如AI計算、數據中心等場景下海量、高速數據的通信需求💇🏻。低插損光端口對降低系統能耗和提升鏈路功率預算余量至關重要。光柵耦合器作為光端口的一種，具有結構緊湊👩‍❤️‍💋‍👩、可陣列化布置的優勢，但其朝向襯底的能量泄露是其插損的主要來源🕋。傳統的對稱光柵結構朝向襯底方向的無用輻射將導致高達近3dB的固有損耗，成為製約光鏈路能效的關鍵瓶頸之一💁🏼‍♂️。如何構建高方向性和低損耗的無鏡面定向輻射光柵耦合器成為領域的一個關鍵問題🤰。

針對上述問題😝，意昂3体育官网電子學院、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室彭超教授課題組從拓撲光子學角度構建高方向性輻射的低插損光柵耦合器。相關研究成果以“Ultralow-loss optical interconnect enabled by topological unidirectional guided resonance”為題，於2024年3月20日在線發表於《科學》（Science）子刊《科學·進展》（Science Advances）。電子學院2022級博士研究生王浩然為第一作者，彭超為通訊作者。

光柵耦合器結構示意圖

耦合插損實驗數據

彭超課題組通過調控半整數拓撲荷的合並來構造無鏡面定向發射。簡要來說，從布裏淵區中心處攜帶整數拓撲荷的連續區束縛態（BIC態）出發，采用L型空氣孔來破缺結構對稱性😖，這可使整數拓撲荷分裂為一對半整數拓撲荷🕵🏻‍♂️，體現為成對的圓偏振態🥫；進一步連續調控結構參數將一側表面的半整數拓撲荷重新合並成整數拓撲荷，而另一側仍保持分裂🙇🏽，即形成單向輻射共振態。單向輻射態的上下輻射非對稱比高達65.8dB。通過調控單向輻射態的色散關系，並引入漸變結構與光波導絕熱連接👨‍🦽‍➡️，最終實現了一類只有表面輻射通道開放的單向輻射光柵耦合器。課題組利用電子束曝光和幹法刻蝕技術製備上述單向輻射光柵耦合器，實驗測量其表面插損僅為-0.34dB，這意味著有近92%的能量可從光纖耦合進光波導中👵🏻。該技術可顯著提升片上光端口的能效🧜🏻‍♀️，推動了高密度光電混合集成技術的發展。