中国科学家建成拓扑光子多通道高速公路

我国科学家在拓扑光子学领域取得突破

最新消息：我国在拓扑光子学领域又取得了一项关键性突破。东南大学毫米波全国重点实验室联合南京大学、香港科技大学的研究团队，提出并实现了一种新型无绝缘体拓扑光子波导，这相当于在光子芯片上，构建出了一条真正的多通道“高速公路”。相关成果已发表于7月22日的《自然》杂志。

为何这项研究至关重要

话说回来，为什么这项研究这么重要？随着光通信和光子计算的高速发展，一个核心矛盾越来越尖锐：如何在有限的芯片面积内，塞进更多的光通道，同时还要保证它们之间不互相串扰、不产生反射？这几乎是集成光子学领域“幸福的烦恼”。

传统拓扑波导的空间利用率问题

传统的拓扑波导虽然能有效抑制反射损耗，但它有个硬伤——必须依赖一个不能导波的绝缘层来提供拓扑保护。这就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，但真正用于通行的路面只占了一小部分，空间利用率很低。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打了个很形象的比方：如果能把这“专用道路”改造成多通道紧密排列的“高速公路”，每个通道在传输自身信号的同时，本身就充当了邻近通道的“护栏”，不需要额外的隔离层，那通行效率就能大幅提升。

新型“四合一”方案实现100%空间利用率

为了实现这个目标，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，称之为“光子谷半准金属”。这种材料相当神奇，它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”按照特定顺序排列后，就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——每一寸空间都在传输信号，没有半点浪费。

实验验证：急弯下仍稳定传输

电磁仿真和微波实验的结果也相当漂亮。四个单向导波通道的电磁波，即使在通过60度、90度甚至120度的急弯时，依然能沿着预定通道单向传播，反向散射和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在狭窄界面附近不同，在这个新结构里，波可以分布在整个通道内。这意味着，通过改变通道的宽度和形状，还能让场分布发生展宽、压缩或横向移动。这为在紧凑空间内同时实现信号传输和波场形貌调控，提供了全新的可能。

专家评价

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）