如何让光信号在密集通道中稳定传输、急转弯时不“串线”、不“掉头”？这是集成光子学领域的一道世界级难题。

近日，东南大学毫米波全国重点实验室崔晓晗教授、南京大学张若洋副教授联合香港科技大学陈子亭教授团队，提出并实现了一种新型拓扑光子波导——无绝缘体拓扑光子多通道高速公路。相关成果于2026年7月22日发表于国际顶级期刊 《自然》（Nature） 。

这项研究首次实现了拓扑光波导100%的空间利用率，为下一代高速光通信、光量子计算及高集成度光子集成电路开辟了全新路径。

传统拓扑波导的“两难困境”：要稳定还是要空间？

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课题。

拓扑波导可有效抑制光传输中的反射损耗，让光绕过缺陷和急弯时依然稳定。但代价是什么？它需要较宽的光子绝缘体区域提供拓扑保护和光场约束——这些区域不参与传输，白白占用了大量空间。

“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。”论文共同通讯作者、东南大学教授崔晓晗说。

拓扑保护与高空间利用率不可兼得——这个“两难困境”长期制约着拓扑光波导向超紧凑、高密度集成方向的发展。

“拆掉隔离带”：四种光子晶体铺就“高速公路”

如何突破这一困境？崔晓晗所在的跨校联合团队设计了一个巧妙方案——让每个通道既传输自身信号，也成为邻近通道的“护栏” 。

团队设计了四种特殊光子晶体——光子谷半准金属。它的独特之处在于“双重身份”：两个能谷自由度中，一个表现为无带隙的狄拉克准金属（允许光自由通过），另一个则表现为拓扑绝缘体（像护栏一样约束光的路径）。

将四种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。不同通道相互协同，在保证每个区域拓扑单向传输的同时，实现了100%的空间利用率。

急弯60°、90°、120°：光信号稳如磐石

理论设计是否经得起考验？团队在微波频段搭建了实验平台进行验证。结果显示：四个单向导波通道的电磁波通过60度、90度甚至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。

更令人惊喜的是，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——这意味着在紧凑空间内同时实现信号传输和波场形貌调控成为可能。

从“界面”到“体区域”：重塑拓扑光子学设计范式

这项成果的意义不止于技术突破。在基础研究层面，它突破了拓扑光传输依赖材料边界或界面的传统框架，开辟了利用整个区域并行且单向鲁棒导光的新路径。从拓扑界面态走向体区域传输，从“牺牲空间换保护”走向“全空间参与传输”——这一突破重塑了拓扑光子学的设计范式。

在应用层面，它有望为高密度光子芯片提供新方案，减少无效空间、提高通道密度和信息承载能力。拓扑光子波导正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。

“此次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。

从实验室到光芯片：还有多远？

据团队介绍，该技术未来可拓展至通信光、太赫兹等多个实用频段。

不过，从实验室到真正落地应用，仍需要解决材料损耗、器件耦合、与光芯片功能元件集成等工程难题。

回顾集成电路的发展历程，每一次传输密度的提升都伴随着器件架构的深刻变革。这项研究消除了拓扑波导中的冗余隔离区，为高密度光子集成开辟了全新可能。

从“隔离带”到“高速公路”，从“界面”到“体区域”——中国科学家用一次漂亮的原创突破，为光子芯片的高密度集成铺就了一条全新的“高速路”。