不用“隔离带”的光子高速路：拓扑光子学走出一条空间利用新路子

 

有些城市交通面临一个现实，绿化隔离带过宽导致车道变窄。传统拓扑光子波导的处境与之相似——为了确保光稳定传输，需要使用大面积绝缘材料作为防护，以致于挤占真正传输光的通道面积。

近日，东南大学信息科学与工程学院教授崔晓晗联合南京大学物理学院副教授张若洋、香港科技大学物理系教授陈子亭等，研究提出并实验验证了一种“无绝缘体拓扑光子多通道高速公路”架构。相关成果发表于《自然》。

“我们把传统拓扑波导中原本只负责隔离和保护、不能传输信号的‘隔离带’，升级成了新的导光通道——它在继续保护通道的同时，自身也能传输光。”崔晓晗介绍。

从“只隔不导”到“既导又隔”

传统拓扑光子波导通常利用两个拓扑性质不同的光子绝缘体，在二者的界面上形成受拓扑保护的传输通道。这类波导能够帮助电磁波绕过一定程度的缺陷和急弯，并抑制反向散射。但其局限在于，真正承担信号传输的主要是界面附近的一条狭窄区域，而两侧较宽的光子绝缘体主要用于提供拓扑保护和模式约束，本身并不参与传输。由此形成了拓扑保护与空间利用率之间的矛盾。

“过去大家更多关注怎样把绝缘区的拓扑带隙打开、做宽，从而让拓扑态在更宽的工作频段内保持稳定。我们是反向思维，能不能利用带隙恰好闭合的拓扑临界点，让每个区域既能传输，又能做相邻通道的防护栏？”崔晓晗说。

灵感最早来自一次南京大学物理学院教授赖耘关于“无包层波导”的分享。据张若洋介绍，赖耘团队的研究突破了传统介质波导依靠额外包层约束光场、隔离通道的常见设计思路，实现了光在纯电介质系统中的超紧凑传输。

为什么很多传统波导需要包层？

张若洋告诉《中国科学报》：“因为光是波，如果缺少合适的约束，就可能从原有通道向周围扩散。很多传统波导会利用包层限制光场，就像道路绿化带分隔车辆，使其沿着既定方向流动。”

那“无包层波导”又是什么？

张若洋解释：“无包层波导即没有包层，光也能被限制住，沿着一条窄窄的通道往前走。就像一条没有隔离带也没有防护栏的高速公路上，行驶车辆也能沿路跑，永远不会冲出道路。”

受此启发，团队进一步思考：拓扑波导能否也摆脱专门设置的拓扑绝缘包层，同时保留拓扑保护？

团队最终找到的答案，不是简单地取消隔离作用，而是让同一个区域兼具“导”和“隔”两种功能。

“打个比方，传统拓扑波导中的‘隔离带’只负责保护通道，自身不能通车。现在，我们让它在继续保护邻近车道的同时，也变成了一条可以通行的新车道。”张若洋说。

拓扑系统如何才能甩掉厚重的“包层包袱”，实现“无包层波导”？

经过三年攻关，团队终于找到了破题之钥——四种 "身兼两职" 的光子谷半准金属。这类新型材料的核心特性，正是来源于其内部不同能谷的迥异物理行为，能谷是决定电磁波传输模式的关键自由度。

据崔晓晗介绍，具体到每一种光子谷半准金属中，对其中一个能谷来说，整个区域就像一条畅通无阻的高速公路，没有任何“路障”，物理学上叫“无带隙”，电磁波可以畅行无阻；对另一个能谷来说，还是这块区域，却变成了一道密不透风的拓扑屏障，竖起了“高墙”，物理学上叫“有带隙”，专门给隔壁“站岗放哨”。

这意味着每一块区域都同时干着两件事：既是自己的“传输通道”，又是邻居的“隔离墙”。“拓扑光子通路空间利用率第一次接近100%，进而证明了拓扑保护和高空间利用率并非不可兼得。”张若洋表示。

拓扑光走出边界，但应用之路仍长

这一设计由此打破了传统拓扑波导必须依赖专门拓扑绝缘区域作为隔离层的长期设计范式，使原本彼此分离的“传输”与“隔离”两种功能被统一到同一个结构区域中。

团队测试结果显示光信号连续拐 60度、90度、120度的急弯，照样稳定通过，损耗很低，也不会串到隔壁车道去。“更有意思的是，过去拓扑光总是固定在界面上，形状改不了，而现在波场可以随着通道的宽窄自由变化，宽的地方就摊开，窄的地方就收起来，就像橡皮泥一样可以被揉扁拉长。”崔晓晗表示。这意味着，未来的光波导不仅能精准传输，还能控制光的形状，传输和调控同步实现。

"无绝缘体拓扑光子多通道高速公路" 的架构，为不少领域提供了全新的设计思路：高密度芯片光路可以排得更密、传得更多，多通道光互连可以做得更紧凑，在狭小空间里实现复杂的光信号导航，同时还为太赫兹频段的片上通信、多通道光场调控乃至未来光子计算芯片中的多通道信息传输和处理提供了新的可能。

但团队也清醒地认识到，目前的实验还在微波尺度，而真正有用的光芯片需要达到百纳米级。张若洋希望，后续研究不仅解决“如何在更多通道中稳定传输”的问题，也进一步研究这些通道如何被独立控制、如何与实际功能器件连接，以及如何在太赫兹和光学芯片平台上实现应用。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10817-9