为光流塑型，无论是束缚在物质内部的局域场，还是在自由空间中传输的结构光，都是现代集成光子学的重要课题。多通道、可编程的光互联器件的发展，使得光子集成线路（PICs）成为电子学中集成电路的潜在替代方案，突破了从光波到微波范围内的处理速度、工作带宽和效率的限制。然而，随着片上复杂度的提升，PICs在长期稳定性以及制造过程中的缺陷问题上，面临着巨大挑战。因此，如何保持PICs的工作稳定性，成为其实际应用的关键。
随着信息化社会的不断发展，PICs需要具备更高的通道数和更复杂的架构。拓扑光子学的兴起，因其抗缺陷和散射等的独特优势，可能为这一领域带来突破性进展。然而，目前基于拓扑畴壁传播光信号的PICs主要依赖于二维微结构，并遵循体-边对应原则。这种方法通常只能支持有限数量的边缘态，从而在一定程度上限制了PICs的通道容量和工作带宽。因此，近年来研究人员开始关注杂化拓扑效应，以实现同一系统中多种拓扑现象的共存，例如基于量子反常霍尔效应和谷霍尔效应的杂化拓扑光子晶体，通过打破时间反演对称性和空间反演对称性，可产生多频段的边缘通道。然而，由于此类结构通常需要在金属表面刻蚀介质图案，并且受限于磁光效应较弱等问题，其发展仍面临诸多挑战。
近期，南京大学固体微结构物理国家重点实验室王漱明教授、祝世宁院士带领的超构表面团队联合中国科技大学苏州研究院蒋建华教授团队围绕杂化人工微结构体系的拓扑效应及其应用展开了研究。他们通过将一维动量空间和二维元胞取向角空间构建为合成维度，提出了一种基于合成杂化维度的、可配置的拓扑光子多晶。与上述所提到的杂化拓扑光子晶体不同，这种由取向可调的椭圆单元构成的介质超构表面，依赖于赝自旋-谷霍尔效应的耦合机制。这一设想为同时调控多频率、自旋和色散群速度提供了一个通用平台，实现了对光子态的多维度操控。
此成果已经发表于《国家科学评论》2025年第6期，标题为 “Configurable Topological Photonic Polycrystal Based on Synthetic Hybrid Dimension”, 王漱明教授、蒋建华教授和祝世宁院士为共同通讯作者。
图1. (A,B) 拓扑多晶的结构设计及其在合成杂化空间的频率超曲面分布。(C,D) 在某一特殊取向角θ=135°和Δθ = 45°时的超胞投影能带。
研究团队提出了一种与结构取向角相关的微扰理论，用于快速计算和调节光子带隙。由于赝自旋和谷晶格都与取向角密切相关。不同的取向角会导致能带的微妙偏移，从而有效调节“质量项”。为了更全面地捕捉这一现象，他们结合所提出的标量微扰理论，并将取向角作为构建合成维度的参数。针对某一种光子晶格，通过将二维布洛赫动量与一维取向角结合，构建了一个三维合成维度，从而能够计算拓扑不变量作为取向角的函数。这一结果为理解系统的拓扑特性提供了一个深刻的理论工具。然而，在两种拓扑效应耦合之后，这一杂化维度空间取决于两种取向角和沿着畴壁的一维动量空间。通过在杂化维度中观察，他们展示了体态、边缘态和角态如何随取向角变化。这一精细化分析将阐明杂化拓扑多晶框架如何实现鲁棒的、可按需调控的光子功能。
同时，研究者们定义了局域品质因子QL——对带隙内的杂化本征模进行了特殊处理，通过积分目标频率处的局域态密度，定义的一种量化描述方式，以评估此类杂化拓扑器件的性能。
图2. 超构多晶线路中杂化拓扑边界态和角态的观测。(A) 拓扑多晶光子线路的示意图。(B) 本征值计算结果，插图显示了 QL分布。(C) 于 P1 和 P2 处分别激发源时的实验测得透射谱。(D) 在 VPC 和 PPC 界面处实验观测到的八个杂化拓扑边缘态。(E) 在 P3 和 P4 处激发时实验观测到的双频段杂化拓扑角态。
作为验证，他们设计了杂化拓扑多晶光子集成电路，并在实验中成功实现了沿界面分布的高对比度多频带边缘态和高阶角态。该方法利用多频段手性边缘通道，实现片上逻辑门、耦合器及高密度光通信，同时支持超小模式体积和多样化角态的多频段激光器的开发。此外，基于取向依赖的光子晶格概念，可进一步实现主动拓扑器件的可重构与可编程操作。该研究展望未来探索杂化拓扑多晶的非线性效应，以增强其多模态和多频段能力，为经典与量子光子学的应用奠定基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf107
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