狄拉克-涡旋拓扑光子晶体光纤的首次实验实现及其宽带单偏振单模传输特性研究

《Nature Communications》：Realization of a Dirac-vortex topological photonic crystal fiber

本刊推荐：为解决传统光子晶体光纤(PCF)性能局限及拓扑保护模式实验实现难题，研究人员开展了狄拉克-涡旋拓扑光子晶体光纤(Dirac-vortex topological PCF)的主题研究。通过标准堆叠拉丝工艺成功制备出具有C3v对称性的拓扑光纤，实验证实其在全通信窗口(1260-1675 nm)可实现稳定的单偏振单模传输，为拓扑光子学在光纤通信领域的应用开辟了新途径。

　　

在光通信领域，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)凭借其独特的带隙导光机制和灵活的设计自由度，突破了传统光纤的诸多局限。然而，随着传输容量和稳定性要求的不断提升，常规PCF在模式稳定性、偏振保持性和弯曲损耗等方面逐渐显现不足。近年来，拓扑光子学(Topological Photonics)的兴起为解决这些难题提供了新思路——通过构建具有拓扑保护特性的光学结构，可实现背散射免疫、缺陷鲁棒的光传输。尽管狄拉克-涡旋拓扑PCF(Dirac-vortex topological PCF)的理论设计已被提出，但由于其复杂的空间相位调制结构和苛刻的制备工艺，实验实现始终是难以逾越的障碍。

针对这一挑战，华中科技大学等单位的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。他们首次通过标准堆叠拉丝(stack-and-draw)工艺成功制备出狄拉克-涡旋拓扑PCF，并实验验证了其在全通信波段(1260-1675 nm)的宽带单偏振单模(single-polarization single-mode)传输特性。该光纤通过在三角晶格PCF中引入Kekulé畸变（一种周期性晶格畸变），构建了具有涡旋相位调制的拓扑带隙结构，使光场被拓扑保护机制束缚在纤芯区域传输。

研究团队主要采用三项关键技术：首先通过有限元仿真（COMSOL Multiphysics）优化Kekulé畸变参数，在k_z=4π/a处获得186.26-189.08 THz的拓扑带隙；其次利用四组不同内径的二氧化硅毛细管（d₁-d₄）进行晶格组装，实现六重涡旋相位调制（winding number=+1）；最后通过成像系统和空间光调制器构建偏振分辨测量平台，对输出光场的强度分布和偏振特性进行表征。

结果部分的核心发现如下：

拓扑光纤设计原理

研究团队以晶格常数a=3 μm的三角晶格PCF为基底，通过引入狄拉克质量项m=m₀e^iφ（其中m₀=0.024a，φ为涡旋相位角）实现Kekulé畸变。仿真显示该畸变将Γ点的四重简并狄拉克点打开，形成完整的拓扑带隙。特别值得注意的是，当六组不同相位（φ=0, 2π/3, 4π/3, π/3, π, 5π/3）的Kekulé畸变单元环绕纤芯排列时，会在带隙中心产生局域化的狄拉克-涡旋光纤模式。

实验制备与表征

实际制备的光纤截面与理论设计误差小于0.1 μm。当输入1550 nm波长方位角偏振光束(Azimuthally Polarized Beam, APB)时，输出光场呈现典型的C_3v对称性分布，其强度轮廓和偏振方向与仿真结果高度吻合。通过旋转偏振片观察到的双瓣强度分布变化，进一步证实了该模式的矢量特性。

宽带单偏振单模特性

研究团队系统比较了线性偏振高斯光束、圆偏振高斯光束、轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)+1模式等不同入射条件下的输出特性。实验发现，尽管输入模式各异，输出端均稳定保持狄拉克-涡旋光纤模式的特征分布。在1260-1675 nm波长范围内，APB入射时的功率波动仅约1 dB，传输损耗和弯曲损耗均保持稳定，证明其具有优异的宽带鲁棒性。

模式选择性分析

功率测试数据显示，APB和OAM+1模式入射时的输出功率显著高于高斯光束，且APB的耦合效率最优。这表明拓扑光纤对具有特定偏振和相位分布的输入模式存在天然选择性，为模式复用通信提供了新思路。

这项研究实现了拓扑光子学与光纤技术的深度融合。狄拉克-涡旋拓扑PCF不仅克服了传统PCF的模式稳定性问题，其独特的拓扑保护机制更为高功率光纤激光器、量子光网络和稳定光通信系统提供了新方案。研究团队指出，通过调节涡旋缠绕数可进一步实现近简并模式调控，而引入非厄米、非线性等效应将催生更多新奇拓扑现象。这项突破性工作标志着拓扑光子器件向实用化迈出了关键一步，为下一代光纤技术奠定了坚实基础。