哈工大全媒体（阚思邈 史博建/文 史博建/图）近日，物理学院丁卫强教授课题组在拓扑光子芯片领域取得重要突破，相关研究成果以《基于横向自旋匹配机制的拓扑光子晶体波导的高效耦合》（Efficient coupling of topological photonic crystal waveguides based on transverse spin matching mechanism）为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）。
拓扑光子波导因鲁棒传输特性备受关注，但其与片上功能器件的低输入/输出耦合效率制约实际应用。传统模式匹配方法依赖电场模式的严格对准，但针对拓扑波导时效率较低。丁卫强教授团队通过理论计算与实验验证，首次揭示了横向自旋匹配（TSM）是拓扑波导高效耦合的关键机制。研究发现，横向自旋与能量流传播方向通过自旋−动量相互作用而锁定，通过调控横向自旋分布可实现能量单向传输。基于此，团队利用遗传算法设计出尺寸仅1.2×0.8 微平方米的超高效率耦合器，理论传输效率96.3%，实验测量也高达94.2%，较此前报道结果提升显著。研究表明横向自旋匹配（TSM）机制具有普适性，可扩展至其他拓扑结构，且耦合效率可通过进一步的深度优化继续提升（数值模拟结果显示效率能够超过99%）。该成果为拓扑光子芯片的大规模功能集成奠定了理论基础。
横向自旋匹配实现波导与拓扑波导高效耦合
哈工大为论文第一完成单位。物理学院助理研究员史博建、贾琦和博士研究生李效欣为共同第一作者，物理学院丁卫强教授、曹永印副教授、冯睿老师，新加坡国立大学仇成伟教授为论文共同通讯作者。物理学院博士研究生李航、张燕霞、高艳雨、高文雅等人也对论文发表作出重要贡献。
该研究获国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金杰出青年项目支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59941-6
