近期，中国科学技术大学蒋建华教授团队与南京大学、香港科技大学、北京大学、苏州大学、南京师范大学合作在混合维度拓扑光子多晶结构的研究中取得重要进展。该研究成果以“Configurable topological photonic polycrystal based on a synthetic hybrid dimension”为题发表在《National Science Review》杂志上[Natl. Sci. Rev 12, nwaf107 (2025)]。
拓扑光子学近十年发展的核心就是利用拓扑保护来实现抗缺陷、抗散射、可控的光场传输，从而为未来的大规模光子芯片提供稳定的“拓扑通道”。然而，传统拓扑边界态的种类和数量通常受限于体边对应关系，基本上“一种拓扑相对应一条边界态”。这在概念上很美，但在工程上很不够用——尤其在需要多频、多模式、多功能复用的片上光子电路中，单一通道很难撑起复杂的信息流。此外，依赖磁光效应的类量子霍尔平台在光频段实现困难，基于结构变形的量子自旋霍尔或谷霍尔平台虽然易于加工，但能实现的“拓扑自由度”依旧有限。与此同时，近年来的合成维度思想提供了一个新视角：能否把结构参数、模式自由度、甚至方向角都当作“额外维度”引入，使二维器件蕴含更高维的拓扑特性？这类方法已经在频率、时间、模式等领域展示巨大潜力，但如何在一个全介质、易加工的集成平台上实现可配置、多通道、高维拓扑仍缺乏系统方案。这正是本文试图突破的关键瓶颈。
图1. HTP-PIC 的示意图，展示了其中的边界态和角态。
本研究提出了一种全介质、可配置的“拓扑光子多晶体”（TPPC）框架，通过将介质椭圆柱的取向角引入为合成维度，使二维光子晶体在参数空间中扩展为三维混合拓扑体系
。在这一混合维度中，伪自旋型 PPC 与两类谷霍尔晶体 VPC1、VPC2 被周期嵌套，形成具有不同拓扑荷的域壁，从而在同一结构内产生多频、反向群速度、不同手性的拓扑边界态，以及由谷自由度诱导的高阶角态。研究团队发展了角度微扰理论（APT）来快速预测带隙变化和拓扑相转变，使结构调参与拓扑态重构变得高效可控。进一步地，通过设计对称/反对称混合域壁，不仅能获得双频且手性可控的边界通道，还能在同一几何角落实现双频角态，展现出合成维度带来的“拓扑资源叠加”效应。实验中利用微波平板波导平台与近场扫描技术，直接观测到这些边界态与角态的强局域分布，并通过局域态密度定义的指标实现定量识别。整体而言，该工作成功实现了多频、可调、可复用的拓扑光场路由，为片上拓扑光子器件在通信、逻辑、激光等方向开辟了新的架构。
图2. 对称构型 HTP-PIC 中混合拓扑边界态（TESs）与角态（TCSs）的实验观测。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。中国科大苏州高研院蒋建华教授与南京大学祝世宁院士、王漱明教授为论文通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf107
（生物医学工程学院、科研部）
