哈工大在拓扑光子芯片领域取得重要突破

近日，哈尔滨工业大学物理学院丁卫强教授课题组在拓扑光子芯片领域取得重要突破，相关研究成果以《基于横向自旋匹配机制的拓扑光子晶体波导的高效耦合》（Efficient coupling of topological photonic crystal waveguides based on transverse spin matching mechanism）为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）。

拓扑光子波导因鲁棒传输特性备受关注，但其与片上功能器件的低输入/输出耦合效率制约实际应用。传统模式匹配方法依赖电场模式的严格对准，但针对拓扑波导时效率较低。丁卫强教授团队通过理论计算与实验验证，首次揭示了横向自旋匹配（TSM）是拓扑波导高效耦合的关键机制。研究发现，横向自旋与能量流传播方向通过自旋−动量相互作用而锁定，通过调控横向自旋分布可实现能量单向传输。基于此，团队利用遗传算法设计出尺寸仅1.2×0.8 微平方米的超高效率耦合器，理论传输效率96.3%，实验测量也高达94.2%，较此前报道结果提升显著。研究表明横向自旋匹配（TSM）机制具有普适性，可扩展至其他拓扑结构，且耦合效率可通过进一步的深度优化继续提升（数值模拟结果显示效率能够超过99%）。该成果为拓扑光子芯片的大规模功能集成奠定了理论基础。

图片:b16a7332-6294-46bb-b5da-6e6bd5017d13.png

横向自旋匹配实现波导与拓扑波导高效耦合

哈工大为论文第一完成单位。物理学院助理研究员史博建、贾琦和博士研究生李效欣为共同第一作者，物理学院丁卫强教授、曹永印副教授、冯睿老师，新加坡国立大学仇成伟教授为论文共同通讯作者。物理学院博士研究生李航、张燕霞、高艳雨、高文雅等人也对论文发表作出重要贡献。

该研究获国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金杰出青年项目支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59941-6