极宽带隙光子超材料：接近狄拉克速度的研究进展

《Nature Communications》：Extreme-bandwidth valley photonic metamaterials approaching Dirac velocity

　　

摘要

山谷光子技术支持在急剧弯曲和乱序环境下的稳健传输。然而，传统的山谷态通常在量子化的山谷切尔数（valley Chern number）框架内形成，其群速度和带宽有限，这限制了其在高速、高容量片上天线传输中的应用。通过放宽将较大的山谷切尔数作为性能优化主要约束的条件，我们利用狄拉克质量工程（Dirac-mass engineering）和电磁模式控制（electromagnetic mode control）同时提升山谷传输的带宽和群速度。通过结合极端的反演对称性破缺（extreme inversion-symmetry breaking）和对模式混合的有效抑制（effective suppression of mode mixing），该平台恢复了近似尺度不变的界面质量分布（scale-invariant interfacial mass profile），从而实现了最大化的山谷带隙（maximized valley bandgap）和接近狄拉克水平的群速度（near-Dirac group velocity）。近场测量直接证实了单方向的山谷传播特性，这种传播具有深亚波长限制（deep-subwavelength confinement）和对急剧弯曲的强鲁棒性（robustness against sharp bends）。该系统支持2 Gbps的无误传输速率，并且在小信号速率（symbol rates）接近载波频率时仍能保持稳定传输，其载波归一化的小信号速率（carrier-normalized symbol rate）比先前报道的山谷光子平台高出至少一个数量级。这些发现为实现高性能山谷光子技术提供了实用的设计路径，能够实现超宽带、高速度的紧凑型信号传输，具有在高容量光子互连（high-capacity photonic interconnect）中的潜在应用价值。