导读

今年4月7日，《光学学报（网络版）》发表了北京理工大学路翠翠教授课题组撰写的“拓扑彩虹”综述文章(12天外审，29天录用，61天网络出版)。Nature Review Physics（2025IF：39.5）于7月2日刊发同主题综述。香港科学院院士、香港科技大学陈子亭教授针对两篇文章的内容进行点评，梳理了拓扑彩虹的发展脉络及前景挑战；他充分肯定了《光学学报（网络版）》对科研热点捕捉的敏锐度以及在出版速度上展现出的“中国效率”。

以下是点评文章内容：（点击下载）

拓扑彩虹能够将不同频率的拓扑态鲁棒地局域在不同空间位置，为宽带信息处理提供了新途径。

01  物理原理与实现方式

彩虹囚禁器件可以将不同频率的电磁波分离并局域在不同空间位置，这为波的操控提供了一种重要手段。传统的彩虹囚禁器件通常需要对结构参数进行精确调整或对材料折射率进行精确调制^［1］，因此对加工误差、结构缺陷或环境扰动非常敏感，从而给其实际应用带来一定限制。

近年来，拓扑物理的概念被引入到经典波系统中^［2-3］，为解决上述难题提供了全新的思路。近日，《光学学报（网络版）》期刊发表了题为“ 拓扑彩虹研究进展”^［4］的综述文章，系统阐述了拓扑保护物理机制与彩虹囚禁效应结合所产生的新兴领域“ 拓扑彩虹”的研究进展。同一时期，Nature Review Physics 期刊也发表了题为Topological Rainbow Trapping^［5］的综述。这两篇综述对拓扑彩虹的物理机制、结构设计及器件功能等方面进行了全面的总结和分析，不仅加深了读者的理解，还为该方向的发展前景提供了清晰的指引。

与传统彩虹囚禁相比，拓扑彩虹蕴含着深刻的物理原理，其运行因受到拓扑不变量的严格保护而具有独特的稳定性，对制造过程中的误差具有鲁棒性，因此能够推动宽带、多频率、慢光效应等光信息处理器件的发展。

上述两篇综述文章共同总结了拓扑彩虹的多种实现方式，其本质在于利用光子能带结构的拓扑性质。例如，通过设计贝里曲率的分布，为波包的方程引入额外的反常速度项^［6］，这一反常速度项改变了波的动力学行为，使得在没有平带的系统中，外部势场与贝里曲率的相互作用也可以实现近零速度，从而使得不同频率的拓扑态被囚禁在不同的位置。基于外部磁场的拓扑彩虹，利用磁光光子晶体的强耦合效应，可以构建可切换的彩虹囚禁和释放^［7］。基于合成维度的拓扑彩虹，能够实现对波包运动以及拓扑相的精确控制，在带隙中产生不同频率的具有近零群速度的拓扑态^［8］。基于人工规范场的朗道彩虹开辟了拓扑彩虹设计的另一条路径，通过构建人工规范场可以实现不受带隙限制的体态，实现具有更大带宽和更多模式数量的彩虹器件^［9-11］。近年来，研究人员还成功实现了硅基光子芯片上纳米尺度的拓扑彩虹器件，为大规模光子集成器件制备铺平了道路。此外，该方法已从光学系统拓展到声学和弹性波系统^［10］，展现了其物理原理的普适性。

02  应用前景与挑战

拓扑彩虹器件对于传统的彩虹囚禁器件具有鲁棒性，为集成光子学、量子信息处理和智能光子器件的发展带来了新的机遇，同时也面临一些挑战。

在片上集成系统中，拓扑彩虹器件可以发挥关键的分频作用。当一束宽频波进入芯片时，利用拓扑彩虹器件可以把不同频率的波引导到芯片的不同单元，提高了片上并行处理信息的能力和集成密度。值得注意的是，由于拓扑彩虹器件受到拓扑保护，对加工过程中的误差和缺陷有高容忍度。另外，拓扑彩虹器件的慢光效应也可以作为片上光子缓存的平台，不同频率的光信号可以储存在器件的不同位置，为片上光计算和光通信中的数据缓存提供了新的方法。

拓扑彩虹的慢光效应增加了光与物质相互作用的时间和强度，为制造低功耗非线性光学器件和高效率量子光学器件提供了新的可能。在非线性光学领域，传统上需要高功率激光激发的非线性效应，可利用拓扑彩虹器件慢光效应带来的场增强特性，在低功率条件下得以实现。在量子光学领域，拓扑彩虹器件可以同时分离和囚禁不同频率的多个光子，提高了量子纠缠的生成效率，为实现并行量子计算提供了新的方案。

目前，拓扑彩虹器件大多是静态的，其功能在结构加工后便被固定。将拓扑彩虹器件和可以动态调控的材料结合，例如通过调节外部电场、温度、光强等来实时改变拓扑彩虹器件的带宽、通道数量和拓扑态局域空间位置，可以实现可重构的拓扑彩虹器件^［12］。此外，人工智能和逆向设计算法正在颠覆传统器件的设计方法，通过给定器件的需求，可以让算法自动优化出结构紧凑、性能优良的拓扑彩虹器件。这些可编程和智能化的器件为实现可重构的拓扑光子芯片制造奠定了基础。

综上，推动拓扑彩虹器件的实际应用，需要克服来自原理、材料、制备、应用等多个方面的挑战。首先，基于渐变结构的拓扑彩虹器件往往需要在分频数量和器件紧凑性之间做出权衡。对于拓扑彩虹器件，更大的渐变区域意味着更多的频率信道，但是频率信道的数量和芯片集成所需的紧凑性相违背。其次，材料的固有损耗是限制无源器件性能提升的重要因素，影响了拓扑彩虹的囚禁强度和囚禁时间。非厄米物理学的发展为降低能量损耗带来了启发，将材料损耗视为一个可调的自由度^［13］，通过设计梯度变化的损耗分布，同样可以实现对拓扑态的囚禁。此外，已有的拓扑彩虹器件是一般是无源静态的，其功能在制备完成后便被固定，因此发展片上拓扑彩虹激光^[14]、动态可调拓扑彩虹器件、可重构拓扑彩虹器件等对实现拓扑光子芯片具有重要意义。

专家简介

陈子亭，香港科技大学讲座讲授，香港科学院院士、美国物理学会会士。主要研究使用人工材料（包括光子和声子晶体、超材料等）控制波或者使用波操控物质相关的方向等，已发表论文700余篇，总引用67000余次，H-index为118。曾获布里渊奖章、裘槎优秀科研者奖、亚洲成就奖等。

期刊简介

《光学学报（网络版）》创刊于2024年10月，是经国家主管部门批准，中国激光杂志社在高水平学科刊群数字化建设中创办的第11本期刊。

作为《光学学报》姊妹刊，作为中国光学首本网络刊，《光学学报（网络版）》将充分利用数字出版技术，发挥网络期刊的可延展性，快速报道光学全领域的学术动态和最新科研成果。

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转自：爱光学公众号：https://mp.weixin.qq.com/s/Y264fcc1D06J1rNA2fP4Zg