拓扑光子晶体光纤

光子晶体光纤（PCFs）是一种能通过改变光纤几何结构灵活定制导光方式的多功能平台，在高功率光传输、超连续谱产生和传感等领域有重要应用。近年来，拓扑光子学作为一种新的光子晶体设计方法兴起，它通过构建类似凝聚态物理中拓扑相的光子能带结构，产生源于拓扑“对应原理”而非传统光束缚机制的独特光子模式，这类拓扑模式对某些无序具有鲁棒性，在器件应用中前景广阔。然而，将拓扑光子学应用于光子晶体光纤一直颇具挑战，此前的理论方案多与现有光纤制造方法不兼容。

本文设计并实验实现了一种拓扑光子晶体光纤（TPCF），其导光模式由光子能带拓扑产生而非传统束缚机制。该光纤的二维横截面是具有向错的光子拓扑晶体绝缘体（TCI），这种结构基于体缺陷对应原理——与体边界对应原理相关，晶格缺陷（如向错）可因拓扑性质束缚局域态。具体而言，拓扑晶体绝缘体是由晶格对称性维持非平庸能带拓扑的结构，能产生与分数化谱电荷相关的拓扑向错态。研究团队设计的TPCF横截面即为含中心向错的光子拓扑晶体绝缘体，由不同半径的玻璃毛细管和棒组成，兼容标准的堆叠拉丝法制备光子晶体光纤的工艺。

这种拓扑晶体绝缘体在中心气孔周围束缚向错态，沿光纤轴向延伸后形成10种波导模式，称为导拓扑缺陷模（GTDMs）。理论分析（包括谱定位器等方法）证实这些模式源于非平庸光子能带拓扑：首先确定体拓扑晶体绝缘体具有非平庸拓扑性质且向错束缚分数电荷，再通过谱定位器明确GTDMs为拓扑态。

GTDMs有一利于导光的特性：虽源于体能带拓扑能隙，但并不位于这些能隙或体能带中，而是处于最低体能带之下（即包层光线下）。这一特性可抑制与体态的串扰，类似实芯光子晶体光纤，实现无需完整三维带隙的宽带鲁棒导光。实验测得该TPCF在可见至近红外波段的传输损耗为10-20分贝/公里，与商用类似纤芯尺寸的实芯光子晶体光纤性能接近。

对光纤性能的表征显示，当TPCF强烈弯曲（半径1厘米的两圈）时，输出功率下降不到5 dBm，而传统设计的实芯光子晶体光纤弯曲损耗显著更高。这源于GTDMs的拓扑保护：其与体态的弱耦合（色散关系与包层光线间存在较大能隙、空间局域性强）使得光纤在物理变形下仍能保持良好传输性能。此外，GTDMs的简并特性为空间分割复用、非线性效应研究等提供了可能。

综上，基于拓扑模式的光纤有望通过提升性能和拓展功能，为光纤技术开辟新方向。未来可进一步优化设计、探索其他拓扑结构，并研究其在复用和量子信息等领域的应用。