近日，西北大学物理学院齐新元教授团队在集成非线性拓扑光子学芯片研究方向取得重要突破，成功研制出兼具二次谐波生成与频率解复用双重功能的片上集成光子学链路，相关研究成果以 “Integrated topological photonic circuit for on-chip second-harmonic generation and frequency demultiplexing” 为题发表于光子学领域权威期刊《Photonics Research》。马春林为第一作者，齐新元教授为唯一通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金（项目编号：12174307）的资助。

原文链接: https://doi.org/10.1364/PRJ.573858

二次谐波生成与波分复用是片上集成光子学领域的两大核心功能单元，目前相关单一功能光路的设计与实现已得到较为广泛的研究。但兼具二次谐波产生与倍频分离双重功能的片上集成光子学链路，因需要实现拓扑特性调控与非线性光学效应的协同作用，技术实现难度大，相关研究仍处于探索阶段，成为制约片上光子功能器件高密度集成的关键瓶颈。

针对这一技术难题，齐新元教授团队开展了系统性研究，创新性设计出单片集成的拓扑光子学链路，提出了一种可调控边缘态的三明治波导异质结构。该结构通过精准的光电场仿真与结构参数优化，实现了非线性光学效应与拓扑光子传输特性的有机融合，可在 280.6 THz 频率处高效产生二次谐波。同时，团队利用拓扑光子学的态调控特性，实现了基波与二次谐波的分离传输：基波依托高鲁棒性的非平凡边缘态完成低损耗传播，二次谐波则通过色散优化的平凡边界模式实现定向传导，二者沿拓扑特性相异的路径独立传输。

图1 几何结构和TM模式的能带结构。(a) 复杂六角拓扑光子晶体。(b1) (d₀, l₀)=(0.22a,0.22a)时的能带结构；(b2) (d₁, l₁)=(0.2a,0.27a)或(d₂, l₂)=(0.27a,0.2a)时的能带结构；(c1) PC1型光子晶体的原胞结构；(d1) PC2型光子晶体的原胞结构。l为内三角形边长, d为外三角形边长。(c2)和(c3)，计算得结构参数为(d₁, l₁)时的一个原胞内K点对应的两种模式相位分布；(d2)和(d3)，计算得结构参数为(d₂, l₂)时的一个原胞内K点对应的两种模式相位分布；(e) 关于K点计算得到的第一二带带隙关于|Δh/a的变化曲线。

为进一步提升频率分离效果，团队通过优化伸长界面 2 的结构距离，实现了基波与二次谐波传输路径的精准调控；这种一体化的结构设计摒弃了传统混合器件的拼接式架构，从根本上规避了器件间耦合带来的传输损耗。经计算场分布图的可视化验证，基波与二次谐波在空间维度上可实现有效隔离，为后续片上光子功能的集成奠定了关键的结构基础。

图2 为同时实现相位匹配和频率分离所需的几何结构参数优化。(a) 四种二元结构配置下的色散曲线。(b) 参数d_2-5=[0.27,0.26,0.25,0.24]a，l₃=0.12a时的色散关于|Δh/a的变化曲线。(c) 含有宽度为g的空气隙的拓扑光子晶体结构。(d) (d₅, l₃)配置下， FW/SHW色散关于空气隙宽度g变化的曲线。

系统的性能表征结果证实，该集成拓扑光子学链路展现出优异的综合性能。在二次谐波生成效率方面，当 2𝑓_FW = 𝑓_SHW = 280.6 THz 时，该光路的二次谐波产生效率达到 139.4% W⁻¹cm⁻²，实现该结构下的效率最大值；在频率解复用性能方面，该光路实现的波分复用功能在端口 1 与端口 2 的频率分辨率均超过 99%，信号抑制比高于 - 29.2 dB，各项性能指标均达到当前单一波分复用器件的最优水平。

图3 拓扑光子学非线性光频分离器的仿真。(a) 结构。(b) 监测所得频谱。(c) 基频电场振幅分布。(d) 二次谐波电场振幅分布。

该研究首次在同一平台上实现了二次谐波生成与波长解复用的一体化功能，为拓扑非线性光子学的发展提供了可扩展的技术范例。研究成果不仅丰富了拓扑非线性光子学的研究体系，也为片上光子功能器件的高密度集成提供了全新的设计思路与技术支撑，可直接应用于量子频率转换、片上高速信号处理等前沿领域，也为片上拓扑光源的构建提供了高效且可行的实现途径，在光通信、量子光学、片上光计算等领域具有重要的应用前景。