拓扑光子学因其抗缺陷、抗散射的鲁棒传输特性，被视为下一代片上光芯片的关键技术。然而，拓扑光子波导（TWG）与传统条形波导（SWG）的耦合效率长期受限。传统模式匹配方法依赖电场分布的精确对准，但对拓扑波导耦合的优化设计中收效甚微。如何实现高效耦合，成为制约拓扑光子器件实用化的关键瓶颈。
研究团队突破传统思路，首次提出横向自旋匹配（TSM）机制。该机制基于拓扑波导中横向自旋与能量传播方向的锁定特性，通过调控耦合界面的横向自旋匹配实现能量高效耦合（图1）。
图1 横向自旋匹配实现能量高效耦合
图2 基于横向自旋匹配（TSM）机制的高效拓扑耦合器设计
图3 条形波导与拓扑波导高效耦合实验
TSM机制的提出，不仅解决了拓扑光子波导耦合难题，更揭示了自旋−动量锁定在纳米光子学中的普适性。该技术可扩展至其它拓扑波导结构，为拓扑片上功能器件（如延迟线、激光器、光开关）的集成提供核心支持。团队表示，未来可通过优化像素尺寸（如50 nm尺度）进一步提升效率至99%，为拓扑光子芯片的大规模功能集成奠定了理论基础。研究成果以“Efficient coupling of topological photonic crystal waveguides based on transverse spin matching mechanism”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。论文第一作者为哈尔滨工业大学史博建助理研究员、贾琦助理研究员、李效欣博士，通讯作者为丁卫强教授、仇成伟教授、曹永印副教授、冯睿老师。研究获国家自然科学基金、黑龙江省杰出青年科学基金等支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59941-6
团队介绍
哈尔滨工业大学“先进光子学研究所”（负责人：丁卫强教授）隶属于哈工大物理学院，依托“微纳光电信息系统理论与技术”工信部重点实验室，长期从事光子芯片、光场调控与光计算和微纳操控方面的研究。近年来，团队牵头获国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金杰出青年项目、国防科技项目等多项项目支持，研究成果获黑龙江省科学技术奖二等奖等奖项。团队发表学术论文200余篇，申请及授权发明专利20余项。
第一作者史博建助理研究员主要从事拓扑光子波导传输特性和拓扑特性对光力新奇现象和规律研究。在Nature Communications，Physical Review Letters，Optica，ACS Photonics，Photonics Research等刊物发表SCI论文20余篇。研究成果为光芯片集成、微纳粒子操控及新型光学器件设计提供理论和技术支撑。
