【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心王健教授領(lǐng)導(dǎo)的多維光子學(xué)實驗室(Multi-Dimensional Photonics Laboratory, MDPL)團隊與南方科技大學(xué)、長飛光纖光纜股份有限公司、武漢科技大學(xué)、華南理工大學(xué)研究團隊合作，在狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)研究成果以 Realization of a Dirac-vortex topological photonic crystal fiber 為題發(fā)表在Nature Communications上。
 

　　拓撲光子晶體光纖作為拓撲物理學(xué)與光纖光學(xué)的創(chuàng)新性交叉方向，為光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能應(yīng)用提供了全新的可能性。由狄拉克拓撲光子晶體構(gòu)成的狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖，在理論上實現(xiàn)了光纖的寬帶單偏振單模傳輸。該研究首次實際拉制并實驗驗證了狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖的物理性質(zhì)，對光纖的性能進行了全方位的表征。這項成果實現(xiàn)了狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖理論與實驗的驗證統(tǒng)一，證實了狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖獨特的物理效應(yīng)，為后續(xù)拓撲光子晶體光纖進一步的實際應(yīng)用打開了道路。
 

　　光纖的結(jié)構(gòu)和支持的拓撲模式如圖1a所示，拓撲模式的偏振態(tài)基本符合角向偏振光(azimuthally polarized beam， APB)的偏振分布。當超胞的調(diào)制角φ=π/3時，超胞相比未調(diào)制時打開狄拉克帶隙的頻率范圍如圖1b所示，隨著φ在0到2π之間變化，帶隙范圍也存在一定程度的變化，連續(xù)調(diào)制下的光纖剖面如圖1d所示。通過對整個光纖結(jié)構(gòu)上的凱庫勒調(diào)制，該設(shè)計下的光纖能夠在較大的帶寬范圍完全打開狄拉克節(jié)線，形成帶隙并在帶隙中間產(chǎn)生單模，從而使得狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖能夠在寬譜范圍內(nèi)支持單偏振單模光的傳輸。
 

　　研究團隊通過堆積-拉制法(stack-and-draw technique)實際拉制了狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖，光纖樣品在電鏡下的掃描結(jié)構(gòu)如圖2a所示。通過可視化前端的光纖端面成像采集，研究團隊將調(diào)制好的角向偏振光耦合進待測狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖的正中心，并在后端對輸出光進行采集(圖2b)。通過觀察輸入的角向偏振光(圖2c)和輸出光斑(圖2d)的場分布與經(jīng)過偏振片后的場分布，可以看到兩者的偏振態(tài)分布基本相同，證明了待測狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖中的輸出光為角向偏振光，符合理論預(yù)期。
 

　　為了進一步驗證狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖的單偏振單模性質(zhì)，研究團隊分別輸入了線偏振光、圓偏振光和一階軌道角動量(orbital angular momentum, OAM)光，觀察到的輸出光的光場分布和偏振態(tài)分布均與拓撲模式相符合(圖3a)。四種不同輸入光在1260-1675nm下的相對輸出功率如圖3b所示，數(shù)據(jù)表明雖然不同光均可以在光纖中實現(xiàn)向拓撲模式的轉(zhuǎn)化，但相較于最符合的角向偏振光，其余三種光均存在一定的損耗。在1260-1675nm下輸入角向偏振光時的光場分布和偏振分布如圖3c所示，所有結(jié)果均與拓撲模式相符合。實驗證明，狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖能夠支持寬帶范圍內(nèi)的單偏振單模傳輸，實驗結(jié)果與理論設(shè)計相符合，證實了狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖獨特的拓撲保護性質(zhì)。
 

　　該研究對基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用前景。在基礎(chǔ)研究層面，狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖的實際實現(xiàn)是拓撲光子晶體光纖由理論邁向?qū)嶋H的堅實一步，證明了理論構(gòu)想中的拓撲保護性質(zhì)的存在，為狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖及其他拓撲光子晶體光纖進一步的應(yīng)用實現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。在技術(shù)應(yīng)用層面，狄拉克渦旋拓撲光子晶體光纖獨特的拓撲性質(zhì)能夠在量子通信、光纖傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用價值，為高性能光纖傳輸開辟新的道路。未來，研究團隊將進一步探索拓撲光子晶體光纖的全新應(yīng)用方式與應(yīng)用形式，為科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新提供新的技術(shù)手段。
 

　　該研究于2025年12月11日見刊，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心和光學(xué)與電子信息學(xué)院為論文第一單位，其他合作單位分別為南方科技大學(xué)電子與電氣工程系、長飛光纖光纜股份有限公司、武漢科技大學(xué)理學(xué)院、華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院。博士生牛泉皓為論文的共同第一作者、排名第一，顏貝博士、沈磊博士為共同第一作者。王健教授與高振副教授、沈平教授、顏貝博士為論文共同通訊作者。該項工作得到國家自然科學(xué)基金資助。