《Nature Communications》发表狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤首次实验实现

前言摘要

近日，我国科研团队在顶级期刊《自然·通讯》上发表了一项具有里程碑意义的研究：全球首次实验制备出“狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤”(https://doi.org/10.1038/s41467-025-65222-z)。该光纤融合拓扑光子学前沿理论与光纤制备技术，实现宽带、单偏振、单模的稳健光传输，标志着我国在新型拓扑光纤领域实现从理论走向实验的关键突破。

核心内容

什么是狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤？

该光纤通过在传统三角晶格光子晶体光纤中引入“凯库勒畸变”，构建出具有拓扑保护特性的光子能带结构，形成一种新型光波导。其核心特点是支持宽带、单偏振、单模的光传输，且具有强鲁棒性。

如何实现的？

团队采用成熟的“堆叠拉制”工艺，使用石英玻璃毛细管成功制备出结构精密的狄拉克涡旋光纤。实验表明，该光纤在1260-1675nm全通信窗口内都能稳定传输拓扑保护的光模式，且对不同入射光束（如线偏振、圆偏振、涡旋光等）表现出良好的模式选择性。

有何独特性质？

该光纤输出的光场具有独特的“涡旋”分布，类似azimuthally偏振光束，且在不同波长和入射条件下保持稳定，展现出拓扑保护带来的抗干扰能力，对弯曲和结构畸变不敏感。

研究意义

1.推动光纤技术进入“拓扑时代”

将拓扑绝缘体概念引入光纤设计，打破了传统光纤在模式稳定性和带宽方面的限制，为光纤通信、传感和激光器等领域带来新的物理基础。

2.助力高性能光通信与量子网络

单偏振单模特性可有效抑制模式串扰，提升信号质量；拓扑保护则增强了系统在复杂环境中的稳定性，适用于长距离通信、高功率传输和量子态保真传输。

3.开辟拓扑光子器件新路径

该工作为后续设计可调谐拓扑光纤、拓扑激光器、非厄米与非阿贝尔拓扑光纤等新型功能器件奠定了实验基础。

结语

从理论构想到实验实现，我国科研团队在拓扑光纤领域迈出的这一大步，不仅彰显了自主创新能力，也为全球光通信与光子学发展注入了新动能。未来，随着拓扑光纤技术走向集成化与多功能化，我们有望在6G通信、空天光网络、量子互联网等重大领域见证中国光科技的更多引领性突破。

图1：通过在三角形光子晶体光纤中引入凯库勒畸变来设计狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤

图2：狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤

图3：狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤的制备与表征

图4：狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤在不同入射光束和波长条件下测量的输出场强分布

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