光学亚波长结构中横向自旋光子器件的基础研究

The project will study new ways of photonic spin devices based on transvers spin in optical subwavelength structures, both in theory and in experiment. The optical subwavelength structures, constructed by different materials and different arrangements, will be employed to investigate on some interesting optical behaviors, including vortex light fields of transverse spin, photonic mode excitation at extreme nano-scale, and unidirectional robust transport. Adopted by novel principle of topological photonics, some new configurations will be designed out to simplify the geometry structures and to relax the tolerance of fabrication errors. The controllability of multilayer fabrication in all-dielectric slabs will be applied, in order to realize two types of light manipulation in optical subwavelength structures in such way of integrated-compatible high-numerical-aperture metasurface with topological photonic crystals. We will fabricate the prototype of photonic spin device. We will reveal the intrinsic mechanism on vortex structural light fields and its topology in Fourier space. We will experimentally realize transverse-spin light sources beyond diffraction limit. In photonic crystal slab, we will go deep into unidirectional robust transport. At last, we will realize an on-chip device with multi-functionalities of beam routing and phase delay, having the advantage of same bandwidth and strong immunity. The target of this project is to make a clear picture and deep learning on transverse spin of optical subwavelength structures and the new phenomena and mechanisms herein. In addition, it may open a new door on the exploration in integrated photonic devices such as on-chip photonic interconnection and prototype of multi-functional photonic spin devices, and in other applications of optical information systems.

本项目拟围绕光学亚波长结构的横向自旋模式开展新型自旋光子器件的基础理论及关键技术研究。拟在不同材料组分和空间构型的光学亚波长结构中，研究基于横向自旋模式的涡旋光场、极端尺度光学模式激发、单向抗散射光传输等行为。采用新型拓扑光学理论，简化设计方法、放宽结构误差容限，给出微纳结构设计；运用半导体可控制备工艺，实现高数值孔径超表面与拓扑光子晶体的有机结合，制备出自旋光子器件原型。揭示涡旋光场的物理规律和产生机制及其在傅里叶空间的拓扑特性；实现突破衍射极限的横向自旋偏振光源，深入探讨单向抗散射光传输光学行为。最终实现具有相同工作带宽、抗干扰能力强、多功能集成自旋光子器件，同时具备光子自旋路由和相位延迟等功能。我们期望通过本项目的实施，能够更加清晰地认识和理解光学亚波长结构中基于横向自旋的若干新机制和新效应，探索芯片光互联、多功能自旋光子器件等集成光子器件及其在光信息系统中应用的新方法和新思路。

项目负责人董建文教授围绕微纳光场调控的基础物理和器件应用等科学问题，以超构材料光学为方向，基于光子晶体等人工亚波长光学结构，提出了能谷拓扑光子学的子研究领域，在时间反演对称光学超构材料中实现了横向自旋的光子能谷霍尔效应。总结了拓扑光学设计新方法，拓宽了横向自旋光传输/光局域等新型光学行为，解决了拓扑光学原理应用到微纳硅光器件的难题。本项目已按计划执行，完成了全部的研究目标，超额完成任务，具体包括：（1）科学内容层面。基于亚波长光子晶体，研究了拓扑光子晶体中基于横向自旋的涡旋光场，总结了涡旋光场的物理规律和产生机制。采用亚波长尺寸的硅微盘技术产生相位涡旋源实现了亚微米量级耦合长度的宽带光子路由行为。从物理机制和实验两方面，系统研究光学亚波长结构中的横向自旋及其在光源方面的应用，实现了基于横向自旋源的模式选择性激发，基于光学超表面的离散相位调控特性，实现大面积高数值孔径的超表面平板透镜，为基于光学亚波长超表面的横向自旋光源研究提供了新思路。系统研究拓扑光子晶体平板的横向自旋单向传输及抗散射光传输行为，设计了支持横向自旋模式的波分解复用器、叠层光子晶体模式上下震荡器、基于二阶拓扑相的新型光学微腔原型器件。（2）研究成果层面。在本项目的支持下，项目负责人董建文教授获得2020年度教育部青年科学奖，过去4年发表SCI论文21篇，超额完成预期论文指标，包括Nature Communications, Physical Review Letters、Physical Review A/B/Applied、Light: Sciences & Applications、Laser & Photonics Reviews、Nanophotonics、Jounal of Optics等。研究成果中Nature Communications和Physical Review Letters中入选ESI高被引论文，被多篇Science、Nat. Photon.、PRL、Nat. Commun等高水平论文引用。项目执行期间，负责人董建文教授受邀完成了超过20个邀请报告，并在多个会议上作口头报告。同时，举办了含2019粤港澳超构材料与微纳光学应用专题研讨会等学术会议。培养已毕业博士/硕士研究生8名。