拓撲光子波導是下一代光量子計算、高速光通信及高集成度光子集成電路的關鍵使能技術。東南大學毫米波全國重點實驗室聯合南京大學、香港科技大學研究團隊近期取得重要原創進展，提出並實現了一種新型無絕緣體拓撲光子波導，構建出拓撲光子的多通道“高速公路”。相關研究成果7月22日發表於《自然》雜誌。

隨着光通信和光子計算不斷發展，如何在有限面積內容納更多通道並減少反射和串擾，成為集成光子學的重要研究課題。拓撲波導可有效抑制光傳輸中的反射損耗，但需依賴不可導波的絕緣層提供拓撲保護，空間利用率受到限制。“傳統拓撲波導好比是一條被寬厚隔離帶包圍的專用道路，雖然車輛行駛穩定，但真正用於通行的路面只佔一小部分。”論文共同通信作者、東南大學毫米波全國重點實驗室教授崔曉晗介紹，如果能將這條道路改造為多通道緊密排列的“高速公路”，每個通道既傳輸自身信號、也是鄰近通道的“護欄”，無需額外的隔離層，將有效提高通行效率。

為實現這一目標，崔曉晗所在的跨校聯合團隊設計了四種特殊光子晶體——光子谷半準金屬，同時扮演波導和拓撲絕緣層的雙重角色。谷半準金屬按照特定順序排列後，形成四條空間上並行的單向通道，各通道協同工作，在保證拓撲單向傳輸的同時，實現“高速公路”100%的空間利用率。

電磁仿真和微波實驗結果顯示，四個單向導波通道的電磁波通過60度、90度和120度急彎時仍能沿預定通道單向傳播，反向散射和通道串擾受到有效抑制。與傳統拓撲波導中光主要集中在狹窄界面附近不同，新結構中的波可以分布在整個通道內。通過改變通道的寬度和形狀，還可以使場分布發生展寬、壓縮或橫向移動，為在緊湊空間內同時實現信號傳輸和波場形貌調控提供了新的可能。

“這項研究為兼顧穩定傳輸與高密度集成的拓撲光子波導提供了新的底層物理方案，也為面向下一代高速光通信、片上光子計算的自主創新積累了理論與技術基礎。”美國物理學會會士、香港科技大學教授陳子亭說。