我国科学家构建出拓扑光子的多通道“高速公路”

拓扑光子波导是下一代光量子计算、高速光通信及高集成度光子集成电路的关键使能技术。东南大学毫米波全国重点实验室联合南京大学、香港科技大学研究团队近期取得重要原创进展，提出并实现了一种新型无绝缘体拓扑光子波导，构建出拓扑光子的多通道“高速公路”。相关研究成果7月22日发表于《自然》杂志。

随着光通信和光子计算不断发展，如何在有限面积内容纳更多通道并减少反射和串扰，成为集成光子学的重要研究课题。拓扑波导可有效抑制光传输中的反射损耗，但需依赖不可导波的绝缘层提供拓扑保护，空间利用率受到限制。“传统拓扑波导好比是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一小部分。”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介绍，如果能将这条道路改造为多通道紧密排列的“高速公路”，每个通道既传输自身信号、也是邻近通道的“护栏”，无需额外的隔离层，将有效提高通行效率。

为实现这一目标，崔晓晗所在的跨校联合团队设计了四种特殊光子晶体——光子谷半准金属，同时扮演波导和拓扑绝缘层的双重角色。谷半准金属按照特定顺序排列后，形成四条空间上并行的单向通道，各通道协同工作，在保证拓扑单向传输的同时，实现“高速公路”100%的空间利用率。

电磁仿真和微波实验结果显示，四个单向导波通道的电磁波通过60度、90度和120度急弯时仍能沿预定通道单向传播，反向散射和通道串扰受到有效抑制。与传统拓扑波导中光主要集中在狭窄界面附近不同，新结构中的波可以分布在整个通道内。通过改变通道的宽度和形状，还可以使场分布发生展宽、压缩或横向移动，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新的可能。

“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。”美国物理学会会士、香港科技大学教授陈子亭说。