与传统设计将光限制在狭窄界面不同，这种新架构利用整个可用区域进行传输。
多年来，物理学家一直梦想着制造出这样的光学芯片：光可以在其中绕过拐角、避开缺陷而不会丢失信息。他们利用拓扑光子学实现了这一点，但有一个主要缺点——只有这些结构的边缘可以携带光，大部分材料未能得到利用。如今，中国研究人员克服了这一限制，将几乎整个结构变成了光的四车道高速公路，使四个独立的微波信号能够并排传输。
这一突破最终可能催生更小、更密集、更高效的光子芯片，用于通信、量子技术和光学计算。研究人员在研究中指出，他们的“工作为超紧凑拓扑光子电路的设计策略提供了范例，具有高密度集成光学的潜力”。
用高速公路取代屏障
为了理解这一新设计，可以把传统的拓扑光子芯片想象成一条被宽阔安全屏障包围的道路。这些屏障让交通顺畅运行，但它们占据的空间远超道路本身。现在，如果道路的每个部分也能帮助引导交通呢？
他们的解决方案始于由磁性棒构成的蜂窝晶格。他们没有创建由界面分隔的两个绝缘区域，而是仔细调整几何结构，使晶体自然地将电磁波分成两个截然不同的谷。在物理学中，谷只是光在晶体内部可以占据的不同动量态，虽然共享相同的材料，却表现得像独立的交通车道。
一个结构中的四条交通车道
然后，团队设计了这种蜂窝结构的四种不同版本。每个版本的行为都很不寻常。对于在一个谷中传播的波，材料表现得像一个开放通道，自由地将光向前引导。然而，对于试图在相反谷中移动的波，同一区域却表现得像一个屏障。
这种双重行为被证明是关键。研究人员没有用惰性绝缘材料包围每个波导，而是将四个区域排列成重复的循环模式。每个区域携带自己的信号，同时阻挡来自相邻区域不需要的反向传播波。实际上，每条车道既充当自己流量的道路，又充当旁边车道的防护栏。最终得到了一种无绝缘体的拓扑波导，具有四个平行的单向通道，其中包括每个方向各两个携带信号的通道，全部紧密封装在一起而不牺牲鲁棒性。
研究人员补充说：“这种多车道配置将传统的边缘态转变为密集封装的大面积单向模式。”
为了测试这一设计，研究人员构建了用于微波频率的结构，并让携带信息的微波信号通过。信号成功地通过了急转弯和狭窄瓶颈，没有向后反射或泄漏到相邻通道中。即使团队故意扭曲几何结构，单向传输仍然非常稳定。与传统设计将光限制在狭窄界面不同，这种新架构利用整个可用区域进行传输，实现了研究人员所称的100%空间利用效率。
迈向更紧凑的光子芯片
这项工作仍处于微波阶段，因此研究人员现在必须将这一概念应用于实际光子电路中所使用的更高光学频率，同时克服材料损耗和大规模制造等挑战。如果成功，该设计可能实现更紧凑的芯片，在相同空间内携带更多信息，同时保持使拓扑光子学如此具有吸引力的鲁棒性。更重要的是，它推翻了长期以来的假设，即受保护的光传输必须仅沿拓扑绝缘体之间的边界发生，为设计未来光子器件开辟了一条新途径。
这项研究发表在《自然》杂志上。
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