南京大学李涛团队：合成维度方法赋能低维芯片上的高维拓扑光子学 | 专题亮点

拓扑光子学为光场调控提供了全新的思路，然而在集成光子平台上构建高维拓扑态一直面临维度受限的难题。南京大学李涛教授团队利用模式合成维度方法，在一维片上波导阵列中成功构建了准二维SSH拓扑晶格，并观测到拓扑角态、边界态等丰富的高维拓扑光传输现象。该工作为在低维光子芯片上实现高维拓扑物态提供了一条与现有工艺兼容的新路径。相关论文被《光学学报》“超构光学3.0：光场调控前沿与赋能应用”专题选为亮点文章。

链接:沈承霆, 宋万鸽, 李涛. 片上波导阵列中高维拓扑光子态的激发与调控（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(10): 1013010.

拓扑光子学近年来发展迅速，已在多种光学系统中实现了新颖的拓扑效应。片上光波导阵列因制备工艺成熟、物理图像清晰、器件应用前景广阔，成为探索拓扑物态的重要平台。然而，受限于波导阵列的固有维度，多数片上系统仅能实现一维或准一维拓扑相，难以直接构建高维拓扑态。

合成维度方法为突破这一瓶颈提供了有效手段，其中模式合成维度通过将体系中的本征模态视为人造格点，可引入额外的耦合维度。然而，现有方法多依赖复杂的人工规范场理论，调制灵活性有限，且难以直接迁移至片上波导阵列。

针对上述挑战，本文基于传播常数调制方法，在二氧化硅衬底硅波导阵列中实现了模式合成维度的构建，并进一步将拓扑波导超胞与模式合成维度相结合，在一维实空间波导阵列中设计出准二维Su‒Schrieffer‒Heeger（SSH）拓扑晶格。

本文首先在两种典型的一维波导阵列（J_x阵列和SSH阵列）中验证了模式合成维度的可行性。通过对波导施加梯度传播常数调制，打破了原有超模之间的正交性，成功在模式空间构建了近邻耦合结构（如图1所示）。数值仿真和COMSOL全波模拟均表明，输入特定超模后，光场在模式维度中表现出清晰的耦合传播和反射行为，证实了模式合成维度的有效构建。

图1 基于传播常数调制的模式合成维度示意图。（a）（b）J_x阵列的调制及超模间耦合；（c）（d）SSH阵列的调制及超模间耦合

进一步，针对四格点SSH阵列，本文展示了模式空间中的拓扑边界态效应。施加正比于能带的传播常数调制后，模式空间哈密顿量保留了SSH模型的交错耦合结构。当输入原阵列的体态超模时，光场被局域在模式空间的边界，呈现拓扑边界态；而输入边界态超模时，光场则在模式空间的体格点间交替传输（如图2所示）。鲁棒性分析表明，该模式空间拓扑结构对加工误差具有较高的容忍度。

图2 模式合成维度SSH阵列。（a）-（c）超模1（体态）输入后的场分布及演化；（d）-（f）超模2（边界态）输入后的结果

为实现更高维度的拓扑态，本文引入波导超胞概念，将每个SSH阵列视为一个超胞；通过控制超胞间耦合强度（远小于超胞内耦合），使不同超胞中传播常数相同的超模之间发生有效耦合，同时保持超模间的独立性（如图3所示）。基于这一思想，研究人员将6个SSH超胞并排排列，并对每个超胞内部施加传播常数调制，从而在“实空间维度+模式维度”的合成空间中构建出准二维SSH晶格。

图3 SSH阵列中超胞间的耦合。（a）超胞耦合示意图；（b）边界态与体态在不同相对耦合系数下的保真度

数值模拟了该合成晶格中不同输入条件下的光场演化。结果表明：1、激发边界超胞的体超模，对应实空间维度拓扑边界态，光场沿合成晶格边界扩散并耦合至另一侧边界；2、激发边界超胞的边界超模，对应拓扑角态，光场被局域在合成晶格角点，稳态传输；3、激发体超胞的边界超模，对应模式维度边界态，光场仅在模式边界传播；4、激发体超胞的体超模，对应体态，光场在体区快速传播（如图4所示）。

这些结果清晰展示了合成空间中的准二维SSH拓扑性质，包括拓扑角态、实空间与模式维度的拓扑边界态的演化特性。

图4 光场在合成维度准二维SSH阵列中的演化。（a）实空间边界态输入；（b）角态输入；（c）模式维度边界态输入；（d）体态输入

本研究为在片上波导阵列中构建高维拓扑态提供了一种与现有工艺兼容的新方法。未来，该方法可向更高维度和更多自由度拓展：结合多层波导集成技术，有望在片上实现三维甚至更高维的光学拓扑态；同时，借助神经网络逆向设计、动态调控等手段，可在模式空间中构建更加复杂的哈密顿量结构，突破当前对模式维度大小的限制。此外，基于合成晶格中不同超模的局域特性差异，该设计还可为片上超模模分复用器件提供技术路径，推动高速、鲁棒的片上光通信器件发展。

宋万鸽，南京大学副教授，博士生导师。南京大学材料物理学士，南京大学光学工程博士。南京大学毓秀青年国际学者,香港大学访问学者。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）[原国家优秀青年科学基金]、江苏省双创博士项目，担任国家重点研发计划、青年科学家项目的骨干。曾获中国光学学会“王大珩光学奖”、江苏省青年光学科技奖等。从事微纳光学、集成光学方向的研究，以第一/通讯作者在 Phys. Rev. Lett. (8 篇)、Nat. Rev. Phys.、Nat. Commun. (2 篇)、Sci. Adv. (2 篇)等刊物发表SCI论文50余篇，受邀做国际国内学术会议邀请报告30余次。担任Sci Bulletin、Photon Insights、《科学通报》、《红外与激光工程》等多个学术刊物的青年编委及客座编辑。

李涛，南京大学教授，博士生导师。国家自然科学杰出青年基金和优秀青年基金获得者，香港“王宽诚”教育基金获得者，入选科技部中青年科技创新领军人才、南京大学首批“登峰人才支持计划”。长期从事微纳光学、超构材料、光子集成领域的研究，曾先后四次获得“中国光学十大进展/重要成果”，以及“中国光学十大产业技术”；在Nature 及其子刊，Sci. Adv., PRL 等刊物发表论文逾150篇，引用超一万次，受邀做国际国内学术会议邀请报告逾百次。目前担任Optics Express，Chinese Optics Letters，Advanced Devices & Instrumentation等多家刊物编委，担任中国光学工程学会微纳专委会副秘书长、江苏省物理学会及光学学会理事、中国激光杂志社南京分社社长。