基于拓扑光子学对光集成芯片进行设计，使光在芯片中以光子拓扑模式传播，可以降低工艺等因素造成的结构缺陷对光芯片性能的影响，提高片上光学系统的稳定性。将多个单模波导以类聚乙炔的链接方式构成阵列（即Su-Schrieffer-Heeger模型），则这样的波导阵列可以支持拓扑界面模式或边缘模式，获得了研究人员的广泛关注。然而，现有的光子拓扑模式产生策略需要引入庞大的结构，不利于密集集成。

武汉光电国家研究中心陈林教授课题组提出了一种利用超表面耦合器阵列将空间光耦合到片上光子拓扑模式的策略。课题组拓展了超表面耦合器的应用，指出可以在阵列中多个波导上同时设置超表面耦合器单元（棒状天线），补偿横向动量失配。进一步地，控制棒状天线的数目，可调节耦合到各波导中光的局域振幅；而控制棒状天线的旋转方向与相对位置，可以控制耦合到各波导中光的局域相位。因此，可依据光子拓扑模式在阵列中各波导内的振幅和相位分布，定制超耦合器阵列，实现将空间光转化为光子拓扑模式。

课题组分别以支持拓扑界面模式和对称/反对称拓扑边缘模式的波导阵列为例，演示了将入射圆偏振光转化为光子拓扑模式的超耦合器的设计过程，并数值验证了超耦合器的性能。设计的超耦合器均有40 nm以上工作带宽，以及10°以上工作角度范围。这一策略具有高度的灵活性，不仅可以用于光子拓扑模式的产生，还可以推广到多波导系统中任意超模的实现。

近日，研究成果以“Meta-coupler arrays linking propagating waves and photonic topological modes on a chip”为题，发表在期刊《光学快报》（Optics Letters）上。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.453234

图1 利用超表面耦合器阵列产生光子拓扑模式。

产生拓扑界面模；(b)产生拓扑边缘模

图2. 超耦合器产生拓扑界面模

(a)模场分布；(b)模式纯度、耦合效率与波长的关系