可重构非阿贝尔集成光子芯片：实现宽带鲁棒性光子器件的突破

研究人员针对传统集成光子器件带宽受限、性能易受扰动的问题，提出基于非阿贝尔几何相位矩阵的通用重构方案。通过热光效应调控系统哈密顿量，在双层聚合物芯片中实现了四模式非阿贝尔编织操作，可编程生成24种B4群酉矩阵，为宽带鲁棒性光子计算和量子应用奠定基础。

　　

在集成光子学领域，传统器件依赖动力学相位原理，导致工作带宽窄且易受环境扰动影响。这一瓶颈源于共振效应固有的局域特性，而基于非阿贝尔霍尔姆过程的几何相位矩阵因其非共振全局特性，为设计宽带鲁棒性器件提供了新思路。然而，实现可重构的非阿贝尔光子器件这一关键需求长期未能突破，严重制约其实际应用。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（第一作者单位）的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，通过热光效应调控波导折射率改变系统哈密顿量，在双层聚合物芯片中实现了四模式非阿贝尔编织操作。该器件包含六组可调双模式编织单元，通过电极加热器调制可生成24种属于B₄辫群的酉矩阵，首次实现了非阿贝尔集成光子器件的动态重构功能。

研究采用紫外光刻和湿法刻蚀工艺制备双层聚合物波导芯片，通过热蒸发沉积铝电极实现热光调制。关键创新在于构建可调双模式编织单元：当电极关闭时，波导A/B模式通过非阿贝尔霍尔姆过程交换（U₂=[0 -1; 1 0]）；电极开启时折射率变化打破手征对称性，使模式保持原波导传输（U₂=I）。通过3D光束传播法模拟和Berry联络矩阵计算验证了相位调控机制。

设计原理

器件采用双层波导结构：上层为编织波导（A-D）和耦合波导（X_1-3），下层设辅助波导（S）。通过精确控制电极加热区域，使β_A/β_B传播常数产生-1×10^-4/K量级变化，实现哈密顿量对角项的可编程调控。

双模式单元验证

实验测得1550nm波长下开关态消光比达17dB，宽带测试（1500-1630nm）显示非共振特性保持稳定。模拟显示电极开启时原简并平带（β=β₀）分裂为两条非简并带，导致模式传输路径改变。

多模式重构演示

三模式器件通过调节三个可调模块（TB-1/2/3）生成S₃置换群矩阵；四模式器件扩展至六模块，实现S₄群24种操作。通过逆向结构设计和反馈回路，理论上可支持任意B_i辫群操作。

该研究开创性地解决了非阿贝尔光子器件重构难题，其非共振特性使器件带宽较传统方案提升两个数量级。通过SO(N)群扩展，该技术有望应用于光学矩阵计算和量子模拟。研究提出的热光调制策略可推广至硅基、铌酸锂等平台，为发展抗干扰光子集成电路提供了新范式。未来通过采用低损耗聚合物材料（如传播损耗<0.5dB/cm的氟化聚合物），将进一步推动该技术在量子光学领域的应用。