我国科学家建成拓扑光子多通道传输高速公路

近日，我国在拓扑光子学领域再次取得关键性突破。由东南大学毫米波全国重点实验室、南京大学和香港科技大学组成的联合研究团队，成功提出并实现了一种新型无绝缘体拓扑光子波导，相当于在光子芯片上构建出一条真正的多通道“高速公路”。该研究成果已于7月22日发表在顶级期刊《自然》上。

那么，这项研究为何如此重要？随着光通信与光子计算技术的高速发展，一个核心矛盾日益凸显：如何在有限的芯片面积内集成更多光通道，同时确保通道间互不干扰、无反射损耗？这已成为集成光子学领域“幸福的烦恼”。

传统的拓扑波导虽能有效抑制反射损耗，但存在一个明显缺陷——必须依赖无法导波的绝缘层来提供拓扑保护。这好比一条被宽厚隔离带包围的专用道路，虽然车辆行驶稳定，但实际用于通行的路面仅占一小部分，空间利用率极低。论文共同通信作者、东南大学毫米波全国重点实验室教授崔晓晗举了一个形象的比喻：如果能将“专用道路”改造为多通道紧密排列的“高速公路”，每个通道在传输信号的同时，自身即充当相邻通道的“护栏”，无需额外隔离层，那么通行效率将大幅提升。

为实现这一目标，跨校联合团队设计了一种全新的“四合一”方案。他们构建了四种特殊的光子晶体，命名为“光子谷半准金属”。这种材料具有神奇特性，能同时扮演波导和拓扑绝缘层的双重角色。当这些“谷半准金属”按特定顺序排列后，便形成了四条空间上并行的单向通道。这些通道协同工作，在保证拓扑单向传输的同时，实现了“高速公路”100%的空间利用率——每一寸空间都用于信号传输，没有任何浪费。

电磁仿真与微波实验的结果同样令人振奋。四个单向导波通道中的电磁波，即使在经过60度、90度甚至120度的急弯时，依然能沿预定通道单向传播，反向散射与通道串扰被有效抑制。更值得关注的是，与传统拓扑波导中光主要集中于狭窄界面附近不同，新结构中的波可分布在整个通道内。这意味着，通过调整通道的宽度和形状，还能实现场分布的展宽、压缩或横向移动。这为在紧凑空间内同时实现信号传输与波场形貌调控，提供了全新的可能性。

美国物理学会会士、香港科技大学教授陈子亭评价道：“这项研究为兼顾稳定传输与高密度集成的拓扑光子波导，提供了新的底层物理方案，也为面向下一代高速光通信、片上光子计算的自主创新，积累了理论与技术基础。”（完）