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为解决拓扑光子结构与其他元件高效输入输出耦合问题，哈工大学者开展基于横向自旋匹配（TSM）机制的拓扑波导（TWG）与条形波导（SWG）耦合研究，理论 / 实验传输效率达 96.3%/94.2%，为紧凑型拓扑光子芯片奠定基础。
在光子芯片的世界里，光的精准操控如同精密仪器的齿轮咬合，每一个环节都决定着整体性能的上限。拓扑光子学的诞生，如同为光传输装上了 “稳定器”—— 拓扑光子晶体波导（TWG）凭借对缺陷的鲁棒性、弯曲传输的高效性等特性，成为集成光学器件的理想候选。然而，一个棘手的问题始终横亘在前：当光需要在拓扑结构与其他波导元件之间 “穿梭” 时，传统的模式匹配（MM）机制难以实现高效耦合，导致实际传输效率常低于 80%，甚至在某些结构中不足 25%。这就好比高速公路与普通道路的连接处存在 “收费站瓶颈”，严重制约了大规模拓扑光子芯片的发展。
为突破这一困局，哈尔滨工业大学物理学院先进光子学研究所联合国内多所高校（包括东北林业大学、大连理工大学、哈尔滨工程大学等）的研究团队，将目光投向了光的 “自旋” 特性。他们发现，光的横向自旋（Transverse Spin, TS）与能量流方向存在天然的锁定关系（自旋 - 动量锁定），这一特性或许能为耦合机制带来革新。研究团队围绕 “横向自旋匹配（Transverse Spin Matching, TSM）” 展开攻关，试图揭示拓扑结构耦合的新规律，并实现高效的光传输。这项研究成果发表在国际知名期刊《Nature Communications》上，为拓扑光子学的实际应用掀开了新的一页。
研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先，利用有限差分时域法（Finite-Difference Time-Domain Method, FDTD）对拓扑波导的能带结构和横向自旋分布进行数值模拟，精准刻画光在不同结构中的传播特性；其次，引入遗传算法（Genetic Algorithm, GA）对耦合结构进行逆向设计，通过优化条形波导（Strip Waveguide, SWG）的横向自旋分布，使其与拓扑波导实现高效匹配；最后，基于标准 CMOS 工艺，在硅基片上（SOI 晶圆）完成样品制备，通过光栅耦合和光功率检测等实验手段，验证理论设计的有效性。
横向自旋匹配机制的理论解析
传统波导耦合依赖模式匹配，其核心是输入输出模式的电场分布重叠积分（α 值）。然而，当研究人员将二维条形波导与拓扑波导耦合时发现，即便模式匹配度 α 接近 0（电场分布正交），传输效率 T 仍可达 80%，这表明传统机制失效。进一步从横向自旋视角分析发现，耦合界面处的自旋分布匹配度（β 值）才是关键。横向自旋定义为Sz=Sz01∣E∣2[Re(Ex)Im(Ey)?Im(Ex)Re(Ey)]，其符号与光传播方向严格锁定。通过定义自旋匹配度β=?A∣SzSWG(y,z)∣dydz?B∣SzTWG(y,z)∣dydz?ASzSWG(y,z)SzTWG(y,z)dydz，研究团队发现 β 值与传输效率呈正相关，即便模式不匹配，高 β 值仍可实现高效传输。
基于 TSM 的高效耦合器设计与优化
为验证 TSM 机制，研究团队设计了硅基 SWG 与 TWG 的耦合结构。TWG 由蜂窝晶格空气孔对构成（大 / 小孔半径 110 nm/55 nm），SWG 宽度 D=1.2 μm，与 TWG 有效宽度匹配。通过 GA 优化，将 1.2×0.8 μm2 的耦合区域离散为 12×8 像素（100 nm / 像素），以 β 值为适应度函数迭代优化材料分布。经过 15 代优化，β 值从 0.271 提升至 0.843，传输效率 T 从 52.8% 跃升至 96.3%，且在 1536-1558 nm 带宽内 T≥90%。优化后的自旋分布与目标高度吻合，证实了 TSM 机制的有效性。
实验验证与性能表征
实验样品采用标准硅基工艺制备，包括输入 / 输出光栅、TWG 及优化耦合区域。测试中，TE 偏振光通过光栅耦合进入波导，经 50/50 Y 分束器分为优化支路与参考支路。实验结果显示，优化结构在 1555 nm 处实现 94.2% 的传输效率，与理论模拟（96.3%）高度吻合，而未优化结构效率仅约 50%。扫描电子显微镜（SEM）图像清晰呈现了蜂窝孔结构与优化后的耦合区域，验证了加工精度。
研究结论与意义
这项研究颠覆了拓扑结构耦合依赖模式匹配的传统认知，首次揭示横向自旋匹配是高效耦合的核心机制。通过 TSM 机制，拓扑波导与条形波导的传输效率突破传统极限，理论与实验分别达到 96.3% 和 94.2%，为目前同类研究的最高水平。更重要的是，TSM 具有普适性，可推广至任意拓扑结构，为纳米光子学中自旋匹配器件的设计提供了全新范式。随着集成光学向高密度、低能耗方向发展，该成果将加速拓扑光子芯片在光通信、光计算等领域的应用，有望推动下一代光子集成技术的革命。正如研究团队指出，横向自旋匹配不仅解决了 “耦合瓶颈”，更打开了 “自旋 - 动量锁定” 在微纳光学中应用的新维度，为光子器件的功能拓展奠定了坚实基础。
