近日，上海科技大学沈晓钦小组在《通讯-物理学》（Communications Physics）上发表了一项题为“Broadband nonlinear microresonator arrays enable topological second harmonic generation”的研究成果。该工作首次理论提出一个基于非线性微谐振腔阵列的拓扑二次谐波产生方案，为进一步在铌酸锂等先进光子平台上开发具有拓扑保护功能的高效率非线性光学器件、可编程光逻辑门和集成量子光源提供了关键的理论基础。上海科技大学硕士生王若宇为第一作者，沈晓钦为唯一通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金面上项目和上海市浦江人才项目的资助。
拓扑光子学被誉为光子世界的“量子霍尔”革命。如同电子在拓扑绝缘体边缘可以无阻碍传导一样，光在拓扑光子结构中也能以“边缘态”的形式单向、抗背向散射地传播，展现出极强的鲁棒性和集成光学应用前景。在拓扑集成光子芯片中实现光学非线性效应的拓扑调控与高效率输出，是近年来的研究前沿之一。此前，基于二维微环阵列的拓扑非线性光学研究，仅局限于四波混频及其相关的量子光源和光频疏等三阶非线性过程。伴随着薄膜铌酸锂等二阶非线性光子工艺平台的日渐成熟，如何探索可拓扑保护的高效率集成二阶非线性光学器件，成为一个日渐凸显的前沿科学问题。然而，拓扑结构中能隙的频率依赖特性，导致在传统理想二维微环阵列拓扑光子器件中，难以为两个跨倍频程频率的光波同时设计出匹配的拓扑保护通道。
研究小组创新性地提出了“双频拓扑带隙工程”方案，通过巧妙设计，解决了理想二维微环拓扑阵列中倍频光“拓扑失效”的关键问题，使基频光与二次谐波在阵列中满足各自的拓扑保护条件。该设计让两种频率的光“感受”到不同强度的人工合成磁场（有效合成磁通量），使它们能分别进入具有非零陈数的拓扑边缘态。这相当于在同一个芯片上，为两个跨倍频程的光并行构建了互不干扰、且受拓扑保护的“光高速公路”，进而通过宽带“拓扑相位匹配”，产生拓扑保护的二次谐波。
该理论模型揭示了一个“可编程的二次谐波手性传播”的现象。通过调节拓扑阵列中晶格的累积相位（或人工合成磁通量），可以实现二次谐波边缘态的拓扑陈数翻转（如从C=-1变为C=+1），从而使反转其传播方向。这一效应源于二阶非线性过程本身对系统拓扑性质的调控。这意味着，在未来实验中可以无需改动芯片的物理结构，仅通过外部电学调控就能控制二次谐波的传播方向，为实现动态可重构的非互易光学器件（如光学二极管、逻辑门）奠定了理论基础。
理论计算表明，得益于拓扑边缘态在多个微环中的“相干增强”特性，所设计 8×8阵列中二次谐波的理论效率，比单个微环腔二次谐波理论效率提升两个数量级。这种“拓扑相干增强”效应，为在低功耗下实现非线性光学频率的高效转换提供了新途径。
图2：微环阵列拓扑二次谐波产生及理论效率分析。
这项研究提出了一个可实现拓扑二次谐波产生的二维微环拓扑阵列理论方案，展示了非线性过程可用于编程拓扑态手性的新物理过程。该理论方案有望在薄膜铌酸锂的二阶非线性光子平台实现，结合其优异的电光效应，催生新一代可编程拓扑非线性光子芯片，在量子信息、集成光学等领域具有重要前景。
研究者指出，在论文审稿期间，马里兰大学Hafezi课题组在《科学》上首次报道了在氮化硅二维微环阵列中拓扑谐波产生的实验结果。本工作则是首次理论提出一个二维微环阵列拓扑二次谐波产生普适方案，为进一步在包括薄膜铌酸锂等先进集成光子平台上开发具有拓扑保护功能的高效率非线性光学器件和集成量子光源等奠定了重要的理论基础。
论文信息：
Wang, R., Pan, Y. & Shen, X. Broadband nonlinear microresonator arrays enable topological second harmonic generation.Commun Phys 9, 79 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02520-y
其他参考：
Ref 1. Loncar, et al. Nature Reviews Physics 7, 237–254 (2025)
Ref 2.Dong, et al. Nature Reviews Physics 8, 55–64 (2026)
Ref 3.Hafezi, et al. Science 390, 612–616 (2025).
撰稿：课题组
