基于三轴变形光子晶体的赝磁场调控：实现光波电可调谐局域化与共振

《Laser & Photonics Reviews》：Pseudomagnetic Control of Light Waves in the Electrically Tunable Photonic Crystals with Deformation Engineering

这篇研究创新性地在硅基光子蜂窝晶格中引入三轴变形工程，成功实现了赝磁场（PMF）诱导的光子朗道量子化。通过设计紧凑型光子晶体（PhC）腔并与硅波导集成，首次在片上观测到PMF调控的光学共振态，并利用热光效应（TO）实现了-0.018 THz/mW的线性电调谐。该工作为集成光电器件（PIC）提供了无需真实磁场的光操控新范式，兼具高兼容性与可扩展性。

　　

引言

赝磁场（PMF）作为模拟真实磁场的物理工具，在二维电子系统中已展现出量子霍尔效应（QHE）等独特现象。近年来，通过弗洛凯工程（Floquet engineering）在光学系统中实现PMF成为研究热点。本文基于三轴变形光子蜂窝晶格，在硅基（SOI）平台上构建了紧凑型光子晶体（PhC）腔，首次实验验证了PMF诱导的光子朗道量子化及其电调谐特性，为集成光电器件（PIC）开发提供了新思路。

结果与讨论

三轴变形光子蜂窝晶格的设计

研究团队采用CMOS兼容工艺，在SOI衬底上制备了由SiO₂空气孔构成的蜂窝晶格。通过引入三轴变形位移场u(r)=[2u₀xy, u₀(x²-y²)]，成功诱导出均匀PMF（|B_p|=4βu₀/a₀）。数值模拟显示，当变形参数u₀≥0.008/a时，光子态密度（DOS）在狄拉克点附近重组为离散的朗道能级（PLL），其中零级PLL（n=0）在u₀=0.004/a时即已出现。

光子局域化与共振特性

通过截断蜂窝晶格形成六边形PhC腔（尺寸参数m=4.5），研究发现PMF使光子沿闭合回旋轨道运动。当u₀=0.016/a时，腔边缘态与体态杂交形成190.7 THz的高品质因子（Q）模式，其电场分布类似微环谐振器。实验测得传输光谱在u₀≥0.008/a时出现非等间距共振谷，与DOS峰位高度吻合，耦合效率达35 dB以上。

尺寸效应与电调谐机制

腔尺寸L与回旋半径R_c的线性关系（Δω∝1/L）验证了PMF的量子化特性。通过集成TiN热电极，团队利用硅的热光系数（1.8×10^-4/K）实现了PMF共振态的电调谐。在245 mW功耗下，共振频率线性红移达4.41 THz，调谐效率-0.018 THz/mW，优于传统波导器件。

实验方法

采用电子束光刻（EBL）和干法刻蚀制备SOI基PhC腔，SiO₂上包层厚度1.6 μm确保低光学损耗。电调谐测试中，TiN加热器（45×12 μm²）通过直流电源驱动，温度场模拟显示硅层ΔT分布均匀，为有效折射率因子N_eff调控提供基础。

结论

该工作将石墨烯应变工程拓展至光子领域，首次实现片上PMF诱导的光子朗道量子化及电调谐。未来可结合载流子注入等动态调控手段，为拓扑激光器和非线性光学器件开发提供新平台。