南京大学Nature：物理学院张若洋与合作团队实现100%空间利用率的“拓扑光子高速公路”

近日，南京大学物理学院张若洋副教授、赖耘教授联合东南大学、香港科技大学团队，基于微波光子晶体，首次提出并实验验证了一类无需拓扑带隙材料包层的的超紧凑拓扑光波导架构——无绝缘体拓扑光子多通道高速公路。该成果突破了传统拓扑光波导必须依赖大面积拓扑绝缘体保护层的设计范式，在实现波导阵列100%空间利用率的同时，确保了每个独立空间通道均具备拓扑鲁棒的单向传输特性。这一发现不仅打破了拓扑传输必须依赖界面态的固有认知，也为高密度、超紧凑片上光子集成电路与光计算芯片的研发带来了新的可能。

该成果以“Insulator-free topological photonic multi-lane highways”为题，于2026年7月22日在线发表于国际顶级学术期刊《Nature》。

研究背景：拓扑波导的“两难困境”

如何让光信号高效、稳定地传输，是现代光子学与信息技术的核心问题。无论是光通信还是片上集成光子线路，散射、反射和串扰始终是制约性能的瓶颈。拓扑光子学的兴起为这一难题提供了革命性解法：通过引入“拓扑保护”机制，光能够沿着特定界面实现无视微观缺陷和大角度弯折的稳定单向传播。

然而，传统拓扑光波导存在一个长久以来的物理痛点：拓扑保护与高空间利用率不可兼得。在传统设计中，光只能局域在两种不同拓扑绝缘体的狭窄交界面上，而占据器件大部分空间的光子绝缘体区域仅仅被用于提供模式隔离与拓扑保护，并不真正参与光的传输 (图1a,b)。这种大面积“绝缘隔离带”的存在，极大挤占了器件空间，限制了拓扑光波导向超紧凑、高密度集成方向的发展。

能否摆脱额外的绝缘屏障，让器件中的每一寸空间都变成受拓扑保护的光传输通道？这成为了提升拓扑光子器件集成度的核心挑战。

研究详情：

图1. 拓扑光子多通道高速公路原理。(a) 传统拓扑界面态波导；(b) 拓扑大区域波导；(c) 光子石墨烯相图；(d) 四种拓扑谷半准金属；(e) 拓扑光子高速公路结构及导波方向示意图；(d) 拓扑光子高速公路中两能谷有效质量空间分布。

光子谷半准金属“身兼两职”

此前，南京大学赖耘团队曾提出一种思路：让具有不重合等频面的两种光学介质互为绝缘层，从而实现无需额外隔离带的紧密波导阵列。然而，由于传统光学介质无法提供拓扑保护，这类波导阵列在遇到弯折或缺陷时依然难以避免散射与串扰的困扰。受此启发，研究团队提出了新的解决方案——引入一种此前被较少研究的拓扑临界物态光子谷半准金属 (Photonic valley half-semimetal) ，以期在实现紧密排列的同时真正获得拓扑保护。

在蜂窝状光子晶体中，光子谷半准金属是光子陈绝缘体和谷霍尔绝缘体的相变临界态 (图1c,d)：其中一个能谷带隙闭合，形成狄拉克准金属；另一个能谷则保持带隙，成为携带非平庸谷陈数的“拓扑绝缘体”，由此形成了依赖谷自由度一半呈现”准金属”特性、一半呈现”拓扑绝缘体”特性的特殊物态。

团队进一步利用相图中四种不同类型的光子谷半准金属进行周期性平行排列 (图1e)。在这种紧凑的阵列中，每个谷半准金属区域都具备”双重身份”：它既是自身的传输通道，又为相邻区域提供绝缘屏障和拓扑保护，从而彻底摆脱了对拓扑绝缘隔离带的依赖。相比无包层的非拓扑波导阵列，拓扑光子高速公路的每个区域都支持拓扑鲁棒的严格单向传输，且传播方向在区域间交错变换，形成名副其实的“多通道拓扑光子高速公路”。

实验设计与实现

图2. 拓扑光子高速公路的实验设计与实现。(a,b) 4种光子谷半准金属密排波导结构及A类光子谷半准金属原胞；(c,d) 光子谷半准金属模拟与实验测量能带；(e) 不同层数的拓扑光子高速公路能带；(f-h) 拓扑光子高速公路超胞、贝利曲率、工作频率内典型本征场；(i) 分区域单向波导态能带的实验测量。

团队在微波频段搭建实验平台，用磁化钇铁石榴石（YIG）圆柱构成蜂窝阵列，通过调控时间反演和空间反演对称性破缺强度，实现光子谷半准金属态。并通过近场扫描，证实了四个通道各自形成空间分离、方向交替的单向传播模式。

为检验鲁棒性，团队进一步测试了带有120°尖锐弯折的多通道波导，实验与仿真均证实四条通道均可顺利绕过弯折抵达预定出口，反向传播被显著抑制，通道间串扰得到有效控制。数值模拟还验证了该结构在90°和60°弯折下同样保持稳定的单向传播，表明这种拓扑保护可适用于任意角度的急转弯。

图3. 120° 弯折拓扑光子高速公路中的鲁棒多通道单向传输特性。(a,b) 理论与实验弯折波导结构示意图；(c) 非互易透射矩阵实验测量；(d-g) 分区域激发的单向传输模拟。

不仅能导光，还能塑形

由于模式分布在整个通道内部而非狭窄边界，该结构获得了额外的几何设计自由度。团队通过设计不同的波导形状以及不同角度弯折，实现了对光场形态的扩展、压缩与横向位移调控——在保持单向传播和通道选择性的前提下，让光场按需变形，使该架构不仅是传输平台，更可成为紧凑空间中的多通道波场工程平台。

图4. 几何构型可定制的拓扑光子高速公路中的任意场形貌调控。(a) 非规则拓扑光子高速公路结构示意图；(b-f) 非规则拓扑光子高速公路中的分区域单向传输与塑性。

展望

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。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。这项工作消除了拓扑波导中的冗余隔离区，为未来高密度、低串扰的片上光子集成电路与光计算芯片奠定了坚实的物理基础。

论文信息

南京大学为论文共同通讯单位。东南大学崔晓晗教授、南京大学张若洋副教授为论文共同第一作者和共同通讯作者。香港科技大学陈子亭教授为论文通讯作者。南京大学赖耘教授对研究概念提出和结构设计做出重要贡献。香港科技大学张昭庆教授、武汉大学王暮迪教授、中山大学陈晓东教授、高梓轩博士亦对本工作做出贡献。该工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金等项目的资助，同时得到南京大学固体微结构物理全国重点实验室、物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心的大力支持。

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41586-026-10817-9