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論文導讀

    飛秒激光直寫技術具有加工速度快、精度高（微納級別）、可實現(xiàn)三維結構加工等優(yōu)勢，在豐富的材料體系中獲得了應用。利用飛秒激光直寫技術制備的光子集成芯片，是面向下一代片上信息處理的重要平臺。近日，來自吉林大學電子學院、清華大學精儀系和香港浸會大學物理學院的聯(lián)合研究團隊在飛秒激光直寫三維光子集成芯片領域取得了重要進展：研究人員設計和制備了基于非阿貝爾編織效應的光子集成芯片，為片上光量子邏輯等應用提供了新的技術路線。該研究成果以“Non-Abelian braiding on photonic chips”為題，以長文形式在線發(fā)表在權威光學期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）上。論文的通訊作者為清華大學的孫洪波教授、香港浸會大學的馬冠聰教授以及吉林大學的張旭霖副教授和田振男副教授；論文的共同第一作者為吉林大學的張旭霖副教授和博士生余峰；論文的貢獻作者還包括吉林大學的陳岐岱教授和香港浸會大學的陳澤國博士。

研究背景

    采用光子作為信息載體的集成光子芯片，是后摩爾時期實現(xiàn)片上信息傳輸和處理的重要選項。現(xiàn)階段的集成光子芯片方案在多種材料體系平臺都有研究（如硅基、鈮酸鋰、聚合物等），而加工片上器件結構的技術手段也多種多樣，包括光刻技術、離子注入技術、化學氣相沉積技術和飛秒激光直寫技術等，這其中的絕大部分工藝都是只能面向二維芯片加工需求的平面工藝。飛秒激光直寫技術是一種將脈沖激光光束聚焦于材料表面或內部，通過激光焦點與材料的非線性相互作用，引起材料性質改變的微納加工技術。得益于其獨特的加工方式，飛秒激光直寫技術可以實現(xiàn)任意三維形狀結構的加工制備，這給片上三維光子集成提供了可能。然而，當前成熟的片上光子器件的設計原理大多是面向二維芯片（例如在受到廣泛關注的KLM方案中通過在二維芯片上設計由光波導組成的平面分束器和相移器兩種基本單元就能實現(xiàn)通用光量子計算），面向第三個空間維度的研究仍然十分缺乏。將片上光子集成推廣到三維，除了可以在物理空間上為提高器件的集成度提供直接解決方案，更可以提供新的物理自由度用于設計新型片上光子操控手段，而這些美好的愿景都離不開飛秒激光直寫這一強有力的工具。

技術突破

    針對飛秒激光直寫三維光子芯片的巨大應用潛力，研究團隊提出并在芯片上成功驗證了一種新型三維光子集成與操控機制??非阿貝爾編織機制，用于實現(xiàn)片上光量子邏輯等應用。非阿貝爾編織的概念最早在凝聚態(tài)領域被提出，用于實現(xiàn)受拓撲保護的量子計算。非阿貝爾編織操作本質上是實現(xiàn)一個幺正矩陣變換，而矩陣中的相位因子可以用經典波體系的貝里幾何相位構造，這給非阿貝爾編織在經典波中的實現(xiàn)和應用架起了橋梁。幾何相位在光子學中早已獲得了廣泛的研究和應用（例如可以利用光學超表面來操控光子的偏轉等特性），但這些研究中利用的貝里幾何相位大多是一個相位因子，與之對應的具有非阿貝爾特性的貝里相位矩陣在光子學中仍未被廣泛研究，其實現(xiàn)將為我們提供幺正矩陣等新的手段來操控光子，而這正是片上信息處理和運算所需要的重要功能。

    基于此，研究團隊將非阿貝爾編織的概念引入到光子芯片中，首先給出在光子芯片上利用光波導結構實現(xiàn)2個光子模式編織的方案，該編織結構也會作為實現(xiàn)更多模式編織的基本單元。編織結構由4根單模光波導組成（圖1a），其中波導A，B和S是不發(fā)生直接耦合的直波導，X是與三者耦合的彎曲波導。按功能劃分，波導A和B是編織波導，波導S是儲能波導，波導X是耦合波導，它與其它3個直波導的耦合系數(shù)如圖1b所示。系統(tǒng)一共存在4個 本征模式，受到手征對稱性的保護，有2個模式從始至終保持簡并狀態(tài)，并保持和單波導結構具有相同的傳播常數(shù)，而編織正是依靠這2個本征“零模”的絕熱衍化實現(xiàn)的。整個編織過程，按照耦合系數(shù)的變化可以分為3個步驟：在步驟1中，依靠耦合系數(shù)的設計和2個簡并零模的絕熱衍化，從波導A入射的光子會絕熱傳輸?shù)讲▽并獲得一個π的幾何相位（用A→-S表示，下同），而從波導B入射的光子保持位置不變（圖1c）；步驟2的過程可以用B→-A和S→S描述；步驟3的結果為S→-B和A→A。由于在編織過程中光子只會分布在3根直波導中（提供耦合作用的X波導中始終沒有光子），兩組衍化過程中積累的動力學相位嚴格一致，因此整個編織過程可以用來描述（圖1d，[]^T中的項依次對應波導A和B中的波函數(shù)），其中由編織過程中幾何相位積累組成的貝里相位矩陣，該矩陣對應量子邏輯Y門。

    研究團隊利用飛秒激光直寫技術在玻璃芯片中制備了上述結構，通過測試輸出光在波導陣列中的分布，驗證了2個光子模式的編織現(xiàn)象，即光子的輸出波導與輸入波導不同（圖1e,f）；并通過設計一個干涉實驗，證實了該編織過程的貝里幾何相位矩陣（圖2）。

    為了驗證光子模式編織的非阿貝爾特性，研究團隊通過在上述結構的基礎上加入一組新的編織結構（包括編織波導C、耦合波導X2和儲能波導S2），設計并制備了3個光子模式編織的結構（圖3a）。研究人員定義了兩個編織過程：G₁編織過程實現(xiàn)波導A和B的編織而隔離波導C，G₂編織過程實現(xiàn)波導B和C的編織而隔離波導A（圖3b）。根據(jù)這兩個編織過程的不同順序組合，可以實現(xiàn)多種多樣的編織操作。考慮G₂G₁（定義為先G₁再G₂，下同）和G₁G₂這兩個編織操作，在相同的波函數(shù)輸入下，這兩個過程的輸出分別為和。這說明編織結果依賴于編織順序，即光子模式的編織操作具有非阿貝爾特性，這些特性在實驗上被證實（圖3c-f）。而非阿貝爾編織的另一個重要特性G_iG_i+1G_i = G_i+1G_iG_i+1也在實驗上被成功表征。

      基于飛秒激光直寫技術制備的非阿貝爾編織器件具有良好的可拓展性，只需按照一定步驟直寫新的編織波導、耦合波導和儲能波導，就可以實現(xiàn)任意多個光子模式的編織操作（圖4a），而通過設計具體的編織步驟可以構造豐富的貝里相位矩陣，用于量子邏輯等應用。作為展示，研究團隊在實驗上實現(xiàn)了5個光子模式的編織操作（圖4b-e）。

觀點評述

      該工作提出的非阿貝爾編織器件以及未來可以期待的基于非阿貝爾物理原理的新型片上光子器件都將需要三維集成，這體現(xiàn)了飛秒激光直寫技術在制備該類型器件上不可替代的地位，而新的機遇也激勵著研究者們進一步發(fā)展和改良該技術。由于非阿貝爾編織機制完全是基于幾何相位效應，因此現(xiàn)象和基于該機制的光子器件的性能將具有高魯棒性：改變器件的長度完全不影響結果（作為對比，傳統(tǒng)的片上分束器和相移器等器件要精確控制器件的長度），一定范圍內的加工誤差等擾動（例如波導間距影響耦合系數(shù)）也不會影響器件的性能。這些優(yōu)勢表明，把非阿貝爾編織作為片上基本結構單元，可以為高魯棒性片上光量子邏輯等應用提供新的方案。未來通過拓展非阿貝爾編織機制到其它光學系統(tǒng)中，利用貝里相位矩陣作為新的自由度，將為研究者們提供更多的手段來操控光子。