香港科技大學陳子亭點評文章：拓撲彩虹——解碼發展歷程，探尋未來新境
據中國激光雜志社網，于2025年10月31日報道，今年4月7日，《光學學報（網絡版）》發表了北京理工大學路翠翠教授課題組撰寫的“拓撲彩虹”綜述文章(12天外審，29天錄用，61天網絡出版)。Nature Review Physics（2025IF：39.5）于7月2日刊發同主題綜述。香港科學院院士、香港科技大學陳子亭教授針對兩篇文章的內容進行點評，梳理了拓撲彩虹的發展脈絡及前景挑戰；他充分肯定了《光學學報（網絡版）》對科研熱點捕捉的敏銳度以及在出版速度上展現出的“中國效率”。
拓撲彩虹能夠將不同頻率的拓撲態魯棒地局域在不同空間位置，為寬帶信息處理提供了新途徑。
01、物理原理與實現方式
彩虹囚禁器件可以將不同頻率的電磁波分離并局域在不同空間位置，這為波的操控提供了一種重要手段。傳統的彩虹囚禁器件通常需要對結構參數進行精確調整或對材料折射率進行精確調制［1］，因此對加工誤差、結構缺陷或環境擾動非常敏感，從而給其實際應用帶來一定限制。
近年來，拓撲物理的概念被引入到經典波系統中［2-3］，為解決上述難題提供了全新的思路。近日，《光學學報（網絡版）》期刊發表了題為“ 拓撲彩虹研究進展”［4］的綜述文章，系統闡述了拓撲保護物理機制與彩虹囚禁效應結合所產生的新興領域“ 拓撲彩虹”的研究進展。同一時期，Nature Review Physics 期刊也發表了題為Topological Rainbow Trapping［5］的綜述。這兩篇綜述對拓撲彩虹的物理機制、結構設計及器件功能等方面進行了全面的總結和分析，不僅加深了讀者的理解，還為該方向的發展前景提供了清晰的指引。
與傳統彩虹囚禁相比，拓撲彩虹蘊含著深刻的物理原理，其運行因受到拓撲不變量的嚴格保護而具有獨特的穩定性，對制造過程中的誤差具有魯棒性，因此能夠推動寬帶、多頻率、慢光效應等光信息處理器件的發展。
上述兩篇綜述文章共同總結了拓撲彩虹的多種實現方式，其本質在于利用光子能帶結構的拓撲性質。例如，通過設計貝里曲率的分布，為波包的方程引入額外的反常速度項［6］，這一反常速度項改變了波的動力學行為，使得在沒有平帶的系統中，外部勢場與貝里曲率的相互作用也可以實現近零速度，從而使得不同頻率的拓撲態被囚禁在不同的位置。基于外部磁場的拓撲彩虹，利用磁光光子晶體的強耦合效應，可以構建可切換的彩虹囚禁和釋放［7］。基于合成維度的拓撲彩虹，能夠實現對波包運動以及拓撲相的精確控制，在帶隙中產生不同頻率的具有近零群速度的拓撲態［8］。基于人工規范場的朗道彩虹開辟了拓撲彩虹設計的另一條路徑，通過構建人工規范場可以實現不受帶隙限制的體態，實現具有更大帶寬和更多模式數量的彩虹器件［9-11］。近年來，研究人員還成功實現了硅基光子芯片上納米尺度的拓撲彩虹器件，為大規模光子集成器件制備鋪平了道路。此外，該方法已從光學系統拓展到聲學和彈性波系統［10］，展現了其物理原理的普適性。
02、應用前景與挑戰
拓撲彩虹器件對于傳統的彩虹囚禁器件具有魯棒性，為集成光子學、量子信息處理和智能光子器件的發展帶來了新的機遇，同時也面臨一些挑戰。
在片上集成系統中，拓撲彩虹器件可以發揮關鍵的分頻作用。當一束寬頻波進入芯片時，利用拓撲彩虹器件可以把不同頻率的波引導到芯片的不同單元，提高了片上并行處理信息的能力和集成密度。值得注意的是，由于拓撲彩虹器件受到拓撲保護，對加工過程中的誤差和缺陷有高容忍度。另外，拓撲彩虹器件的慢光效應也可以作為片上光子緩存的平臺，不同頻率的光信號可以儲存在器件的不同位置，為片上光計算和光通信中的數據緩存提供了新的方法。
拓撲彩虹的慢光效應增加了光與物質相互作用的時間和強度，為制造低功耗非線性光學器件和高效率量子光學器件提供了新的可能。在非線性光學領域，傳統上需要高功率激光激發的非線性效應，可利用拓撲彩虹器件慢光效應帶來的場增強特性，在低功率條件下得以實現。在量子光學領域，拓撲彩虹器件可以同時分離和囚禁不同頻率的多個光子，提高了量子糾纏的生成效率，為實現并行量子計算提供了新的方案。
目前，拓撲彩虹器件大多是靜態的，其功能在結構加工后便被固定。將拓撲彩虹器件和可以動態調控的材料結合，例如通過調節外部電場、溫度、光強等來實時改變拓撲彩虹器件的帶寬、通道數量和拓撲態局域空間位置，可以實現可重構的拓撲彩虹器件［12］。此外，人工智能和逆向設計算法正在顛覆傳統器件的設計方法，通過給定器件的需求，可以讓算法自動優化出結構緊湊、性能優良的拓撲彩虹器件。這些可編程和智能化的器件為實現可重構的拓撲光子芯片制造奠定了基礎。
綜上，推動拓撲彩虹器件的實際應用，需要克服來自原理、材料、制備、應用等多個方面的挑戰。首先，基于漸變結構的拓撲彩虹器件往往需要在分頻數量和器件緊湊性之間做出權衡。對于拓撲彩虹器件，更大的漸變區域意味著更多的頻率信道，但是頻率信道的數量和芯片集成所需的緊湊性相違背。其次，材料的固有損耗是限制無源器件性能提升的重要因素，影響了拓撲彩虹的囚禁強度和囚禁時間。非厄米物理學的發展為降低能量損耗帶來了啟發，將材料損耗視為一個可調的自由度［13］，通過設計梯度變化的損耗分布，同樣可以實現對拓撲態的囚禁。此外，已有的拓撲彩虹器件是一般是無源靜態的，其功能在制備完成后便被固定，因此發展片上拓撲彩虹激光[14]、動態可調拓撲彩虹器件、可重構拓撲彩虹器件等對實現拓撲光子芯片具有重要意義。
