2024年12月5日，《Laser& Photonics Reviews》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集成超宽带定向耦合器方面取得的最新研究成果 Ultrabroadband Light Coupling for Integrated Photonics via Nonadiabatic Pumping。
光学定向耦合器利用光在波导之间的耦合实现光的分束和合束，是光子系统中最基本的光学元件之一，在片上光互联和光子集成等方面具有重要应用价值。传统光学定向耦合器主要基于两根并列波导之间的倏逝场耦合实现，然而由于波导结构的材料和模式色散，其工作带宽往往在100 nm以下，极大限制了工作带宽和信息传输容量，使得在波分复用、高速光互联等方面的应用存在物理瓶颈。尽管现有的一些实验方案提出了通过绝热输运、拓扑保护等原理提高光学定向耦合器的工作带宽，然而波导模式的绝热演化通常需要较长(100~1000μm)的波导结构，不利于实现高集成度的片上宽带光传输和耦合器件。
针对这一关键问题，刘为为、王兵等提出基于非绝热拓扑泵浦实现片上超宽带定向耦合器的新机制。研究团队利用片上光波导构建了Aubre-Andre-Harper (AAH)模型，并在其中研究了非绝热情况下的光模式演化特性。研究发现，光波导模式的非绝热转换会降低不同模式的传播相位色散，使得波导阵列输出端模式在很宽的波长范围内能够保持与输入端模式近乎相同的相位分布，从而可以实现高效、宽带的边界态转换。基于该原理，研究团队在薄膜铌酸锂平台上构建了波导阵列结构并开展了实验研究。结果表明，绝热拓扑泵浦定向耦合器的1dB工作带宽可超过320 nm，即覆盖所有光通信波段，而耦合长度仅为50 μm，仿真计算表明该非绝热拓扑泵浦原理也适用于硅等高色散材料波导结构。进一步，研究团队在定向耦合器的基础上构建了多级光分束器，实现了宽带片上光分束和光路由，表明该方案在宽带集成的片上光互联和光网络方面具有重要应用前景。
图. (a)定向耦合器显微图像；(b)非绝热拓扑泵浦定向耦合器与传统双波导定向耦合器的测试结果对比；(c)基于非绝热拓扑泵浦的宽带多级光分束器；(d)4级和(e)8级宽带片上集成光分束器的测试结果
