观察拓扑位错上的线性和非线性光捕获现象

《Laser & Photonics Reviews》：Observation of Linear and Nonlinear Light Trapping on Topological Dislocations

光子晶体中拓扑位错的光局域化与非线性能量孤子实验研究。通过飞秒激光直写技术制备具有精确调控的波导阵列，首次在光频下实现位错引导的局域线性模式及阈值less非线性孤子。发现位错几何参数（如合并层数）显著影响局域模式特性，且非线性孤子可无阈值形成并保持稳定。揭示拓扑缺陷与非线性效应的协同作用机制，为拓扑光子学器件设计提供新途径。

　　
本研究首次在光频范围内实验观测到拓扑边位错附近的局域光模式及其非线性孤子态，揭示了光子晶体中拓扑缺陷与非线性相互作用的独特机制。实验采用飞秒激光直写技术在熔融石英中制备具有精确可控位错结构的波导阵列，通过调整位错几何参数（如柏氏矢量）和激发光功率，系统性地研究了位错拓扑缺陷对光波传播的影响规律。

在实验结构设计方面，研究者构建了两种典型位错模型：两波导层合并结构和三波导层合并结构。通过飞秒激光在透明介质中逐层写入波导，实现了亚微米级精度的位错结构调控。这种波导阵列的显著特征在于，远离位错中心区域仍保持传统光子晶体的周期性结构，而在位错中心附近则形成局部的拓扑畸变区。这种空间上的渐变特性使得光场在位错附近既表现出拓扑保护的本征局域性，又具备通过非线性效应调控光模式的能力。

实验发现，当波导阵列中引入边位错时，线性光谱中会出现一系列与位错拓扑相关的局域模式。这些模式的空间分布与位错类型密切相关：两波导合并结构主要形成对称或反对称的双波导局域模式，而三波导合并结构则支持多波导耦合的复杂局域模式。特别值得注意的是，当调整位错几何参数（如位移参数σ）时，局域模式的强度和空间分布会出现显著变化。实验数据显示，σ值增大时，光场局域化程度增强，模式体积缩小，这种可调控性为光子器件设计提供了新思路。

在非线性效应方面，研究发现当输入光功率达到特定阈值时，线性局域模式会分岔形成非线性孤子态。这些孤子具有以下显著特征：首先，在具有线性局域模式的位错结构中，孤子形成不需要传统周期晶格中的功率阈值，表现出独特的阈值less特性；其次，孤子类型与位错结构对称性直接相关，如两波导合并结构支持对称型和非对称型两种孤子态，而三波导结构则形成具有多中心对称的复合孤子模式；最后，孤子的稳定性与位错周围的光子晶体周期性结构密切相关，当位错几何参数偏离周期性结构时，孤子会表现出明显的功率敏感特性。

实验验证了理论模型的预测，通过双光束干涉仪实现了对对称型和非对称型孤子的分别激发。激发光束经过精心设计，确保能量主要耦合到目标位错附近的特定波导模式中。实验结果显示，当功率较低时，光场主要分布在位错附近的几个波导层中，随着功率增加，非线性聚焦效应导致光场逐渐收缩为高斯型局域模式，最终形成稳定的孤子态。特别值得注意的是，在具有三波导合并结构的实验中，通过调整激发光束的椭圆度和位置，成功实现了具有三个分离光斑的复合孤子态，其空间分布与位错几何结构严格对应。

研究还深入分析了孤子的稳定性机制。通过线性稳定性分析发现，对称型孤子（源自线性对称模式）在功率阈值附近表现出明显的稳定性窗口，但当功率超过某一临界值时，由于非线性效应与位错结构耦合增强，孤子会逐渐分裂为多个子模。而反对称型孤子（源自线性反对称模式）则展现出更优异的稳定性，其扰动增长速率始终低于线性阈值，这可能与位错导致的拓扑保护效应有关。实验中观察到，在特定功率范围内，不同位错结构可以支持多种类型孤子共存的现象，这为构建多功能光子器件提供了物理基础。

本研究的创新性体现在多个方面：首先，首次在可见光波段实现光子晶体位错拓扑效应的实验观测，突破了传统微波光子学研究的频段限制；其次，发现的光子位错孤子具有双阈值特性，即在特定功率范围内同时存在线性局域模式向孤子态的过渡和不同孤子态间的能量交换，这为开发可调谐光子器件开辟了新途径；最后，提出的位错结构光子器件设计理念，通过空间调制位错结构来控制光场分布，为下一代紧凑型光子芯片设计提供了理论支撑。

应用前景方面，该研究为拓扑光子学开辟了新的应用维度。具体而言，在集成光子学器件中，可通过阵列化排列多个位错结构形成光子路由网络，利用孤子的功率依赖特性实现动态光开关功能。在激光物理领域，位错孤子的高稳定性使其成为构建新型拓扑微激光器的理想候选模式。此外，该研究揭示的非线性拓扑效应机制，为光量子计算中的拓扑量子比特操控提供了新的物理实现方式。

实验技术的突破也值得关注。研究者采用飞秒激光直写技术，通过多扫描策略和亚波长聚焦，成功制备出低损耗（<0.1 dB/cm）且结构均匀性优于100 nm的波导阵列。这种加工精度使得位错中心附近的波导曲率半径可控制在微米级别，从而有效维持光场的局域特性。实验中使用的1.5 ps脉冲激光系统，其时间分辨率足以捕捉孤子形成过程中的瞬态演化，而空间分辨率（亚波长）则确保了对光场分布的精细调控。

该研究还存在若干待探索方向：首先，位错结构的非对称性如何影响孤子的相位特性，这是实现拓扑光子学量子计算的重要基础；其次，多类型位错结构的组合效应尚未被系统研究，可能形成更复杂的拓扑光子态；最后，在室温下光子晶体的热效应可能对孤子稳定性产生显著影响，这需要进一步实验验证。未来研究可考虑引入非厄米特性或光子晶体超表面技术，进一步提升器件性能。

总体而言，这项研究不仅拓展了拓扑光子学的应用边界，更揭示了光子晶体中拓扑缺陷与非线性效应的深层相互作用机制。其提出的"位错-孤子"耦合调控范式，为设计新一代光子器件提供了重要理论依据和技术路径，具有显著的学术价值与潜在应用前景。