在拓扑绝缘体理论体系的支撑下，拓扑光子学成功将凝聚态物理中电子系统拓扑相的研究引入到光子系统。基于拓扑能带理论，具有新奇的受拓扑保护的光传输和局域效应的拓扑光子学引起了研究人员的关注，并在不同光学材料平台中展开对拓扑光子绝缘体的实验研究。其中光波导阵列由于具有设计灵活、加工方便等优点，是构建拓扑光子绝缘体的理想平台之一。通过改变光波导阵列各项参数，调节波导自身位能和相互作用能，可以对光场进行灵 活调控，实现新奇的拓扑现象。
为了更系统全面地了解基于光波导阵列平台的拓扑光子绝缘体，华南理工大学董国平课题组及其合作者在《科学通报》发表题为“光波导阵列中拓扑态及其应用的研究进展”的评述文章，介绍了光波导阵列的基本概念，主要围绕不同拓扑理论回顾基于光波导阵列的拓扑绝缘体实验进展，并对拓扑光波导阵列器件进行了展望。
光波导阵列中由于傍轴亥姆霍兹方程与薛定谔方程 在形式上等价，因此可以在光波导阵列中利用光场演化类比出凝聚态系统独特的物理现象。常用于研究拓扑光子绝缘体的波导阵列平台包括采用超快激光在透明介质材料内部制备的玻璃波导；采用电子束刻蚀、光刻等技术制备的硅波导和表面等离激元波导。基于不同制备方法的波导阵列具有不同特点，可以实现不同拓扑模型的研究。
目前基于光波导阵列平台的拓扑光子绝缘体的研究可以按不同空间维度划分。一维拓扑光子绝缘体中，Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型是最经典的拓扑模型，研究人员在光波导阵列平台中围绕一维SSH模型的拓扑相变过程和拓扑边缘态特性展开研究，如 图1 所示，在硅波导、聚合物波导等平台中讨论SSH模型的边界局域现象。此外，研究人员同样围绕体-边关系对一维Aubry-André-Harper模型、Fibonacci链等拓扑模型展开研究，实现局域边界态的光学激射。
图1 一维SSH光波导阵列的拓扑边界态. (a) 具有缺陷态的一维SSH光波导阵列. (b) 拓扑非平庸和拓扑平庸相的传播动力学. (c) 弹性光波导阵列结构. (d) 不同缺陷速度下光在拓扑结构中的传播动力学. (e) 一维SSH光波导阵列耦合器. (f) 拓扑定向耦合器和分束器的实验结果
二维拓扑光子体系相比于一维体系具有更高的自由度，能实现丰富的物理特性。通过对波导阵列中z轴的调控，二维拓扑光子绝缘体可以获得时间反演对称性破缺/保护的调控，从而对各种拓扑效应进行讨论。如利用螺旋波导实现具有时间反演对称性破缺的Floquet拓扑光子绝缘体，以及利用直波导和晶格对称性实现具有时间反演对称性的拓扑光子绝缘体。
此外，由于在实际情况中有各种非守恒元素，需要用非厄米哈密顿量对系统进行描述，因此提出了非厄米拓扑光子体系的研究。在非厄米光子体系中，宇称-时间对称关系可以通过调控材料的增益和损耗实现。研究中采用了分段波导（ 图2(a)、(b) ）、散射点（ 图2(c-f) )、螺旋波导等方式引入损耗。非厄米系统中增益的引入及调控十分重要，增益所带来的信号放大在实际应用中具有更好的发展前景。
图2 有损光波导阵列. (a) 一维非厄米分段波导阵列结构示意图. (b) 一维非厄米分段波导阵列中光的局域传播. (c) 引入Cr散射点为损耗的硅波导阵列样品图. (d) 界面波导的模振幅. (e) 利用飞秒激光在波导中引入散射点示意图. (f) PT破缺下实现的拓扑态
自拓扑光子绝缘体这一概念提出以来，研究人员展开了大量研究。拓扑光波导阵列作为理想的拓扑光子研究平台，实现了许多新颖独特的拓扑现象。然而，目前对基于光波导阵列的拓扑光子器件的设计制备及应用场景仍有待开发。相较于传统微电子器件，拓扑光波导器件面临尺寸较大、集成度不高等挑战，因此拓扑光波导器件需要提出更新颖的结构设计。
拓扑光子绝缘体由于具有对缺陷、微扰免疫和单向传输边界态等特性，有望在光通信、光传输等方向优化传统光子器件。目前对拓扑光子绝缘体的研究更多在理论层面，应用层面的研究仍有待推进。基于光波导阵列的拓扑光子器件以其独特的拓扑特性为基础，在如何突破制备及结构设计难题的方向进一步探索，实现稳健高效的传输效果，对拓扑光子器件的实现起重要作用。
卫睿珊, 康娟, 张庆龙, 邱建荣, 杨中民, 董国平*. 光波导阵列中拓扑态及其应用的研究进展. 科学通报, 2024, 69(15): 2031–2041
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