4月9日，《纳米快报》（Nano Letters）在线发表了陆培祥教授带领的“强场超快光学”创新研究群体在片上光子局域研究中取得的重要研究成果，论文标题为"On-Chip Photonic Localization in Aharonov-Bohm Cages Composed of Microring Lattices"。该研究基于间接耦合的微环谐振腔阵列构建了一维光子Aharonov-Bohm（AB）囚禁晶格，利用其平带特性在硅基芯片上实现了光子局域。该工作提出，这种AB囚禁晶格具有紧凑的拓扑边界态，对于结构紊乱和扰动能够表现出较强的鲁棒性，并且不依赖于系统大小。

光子规范势为操控光子提供一个新的自由度，有一个非常值得关注的例子是光子晶体中的AB囚禁效应，通过与特定的光子规范势相互作用，可以产生具有恒定不变本征能量的完整平带，并且不依赖于晶格的动量。近年来，光子AB囚禁效应在超冷原子、拓扑电路以及光波导等体系中引起了人们的广泛关注。然而，传统的光学系统面临着结构尺寸大、局域态和传输路径难以调控等问题，从而限制了紧凑型拓扑光学器件的开发。因此，如何在片上体系中实现光子的局域和调控，仍然是需要解决的关键科学问题。

图1. 一维光子AB囚禁晶格的结构示意图。

在该工作中，研究人员利用间接耦合的微环谐振腔阵列构建了光子AB囚禁晶格（如图1所示），通过调节晶胞中的光子规范势，展现了光的局域和扩散现象。该系统具有完整的平带特性，其中体态和边界态都表现为紧凑的局域模式（如图2所示）。此外，该晶格还具有拓扑非平庸的Zak相位，相应的拓扑边界态在平带局域的作用下获得了增强的拓扑保护，对结构扰动和紊乱表现出显著的鲁棒性，且不依赖于系统的大小。

图2. AB囚禁晶格的平带局域。(a)表现为完整平带特性的能带结构。(b)体态和边界态的模场分布表现为紧凑的局域模式。

进一步，研究人员在硅基光子芯片上制备了由微环谐振腔阵列构建的光子AB囚禁晶格（如图3所示）。该晶格由5个晶胞构成，每个晶胞包含4个主环和4个位于主环之间的连接环，通过设计中间连接环的纵向偏移量，可以实现对光子规范势的灵活调控。特别地，当在每个单元中引入p的规范势时，即可实现光子的AB囚禁效应。通过实验测试，研究人员证明了该晶格中局域体态和边界态的存在，从而有效展示了基于AB囚禁效应的片上光子局域。

图3.AB囚禁效应的实验结果。(a)(b)片上光子AB囚禁晶格的扫描电子显微镜图像。(c)(d)实验测量的透射谱，表明成功激发了局域的体态和边界态。

这项工作在硅基芯片上实现了光子AB囚禁效应，为片上光子局域及其动态调控提供了新思路，对于开发紧凑型的拓扑集成光子器件具有重要意义。

物理学院博士生陈舒越，武汉工程大学柯少林副教授，中国科技大学博士生赵东为论文共同第一作者，王兵教授、刘为为副教授为论文共同通讯作者，中国科技大学黄坤教授课题组为微环加工提供了支持。该项研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体和面上项目以及湖北省自然科学基金的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c05095