【产通社，1月20日讯】华中科技大学（Huazhong University of Science & Technology, HUST）官网消息，武汉光电国家研究中心王健教授领导的多维光子学实验室（Multi-Dimensional Photonics Laboratory, MDPL）团队与南方科技大学、长飞光纤光缆股份有限公司、武汉科技大学、华南理工大学研究团队合作，近日在狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤领域取得重要进展，相关研究成果以 Realization of a Dirac-vortex topological photonic crystal fiber 为题发表在Nature Communications上。

拓扑光子晶体光纤作为拓扑物理学与光纤光学的创新性交叉方向，为光纤的结构设计和功能应用提供了全新的可能性。由狄拉克拓扑光子晶体构成的狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤，在理论上实现了光纤的宽带单偏振单模传输。该研究首次实际拉制并实验验证了狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤的物理性质，对光纤的性能进行了全方位的表征。这项成果实现了狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤理论与实验的验证统一，证实了狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤独特的物理效应，为后续拓扑光子晶体光纤进一步的实际应用打开了道路。

狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤的理论设计如图1所示。光纤的结构和支持的拓扑模式如图1a所示，拓扑模式的偏振态基本符合角向偏振光（azimuthally polarized beam， APB）的偏振分布。当超胞的调制角φ=π/3时，超胞相比未调制时打开狄拉克带隙的频率范围如图1b所示，随着φ在0到2π之间变化，带隙范围也存在一定程度的变化（图1c），连续调制下的光纤剖面如图1d所示。通过对整个光纤结构上的凯库勒调制，该设计下的光纤能够在较大的带宽范围完全打开狄拉克节线，形成带隙并在带隙中间产生单模，从而使得狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤能够在宽谱范围内支持单偏振单模光的传输。

研究团队通过堆积-拉制法（stack-and-draw technique）实际拉制了狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤，光纤样品在电镜下的扫描结构如图2a所示。通过可视化前端的光纤端面成像采集，研究团队将调制好的角向偏振光耦合进待测狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤的正中心，并在后端对输出光进行采集（图2b）。通过观察输入的角向偏振光（图2c）和输出光斑（图2d）的场分布与经过偏振片后的场分布，可以看到两者的偏振态分布基本相同，证明了待测狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤中的输出光为角向偏振光，符合理论预期。

为了进一步验证狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤的单偏振单模性质，研究团队分别输入了线偏振光、圆偏振光和一阶轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）光，观察到的输出光的光场分布和偏振态分布均与拓扑模式相符合（图3a）。四种不同输入光在1260-1675nm下的相对输出功率如图3b所示，数据表明虽然不同光均可以在光纤中实现向拓扑模式的转化，但相较于最符合的角向偏振光，其余三种光均存在一定的损耗。在1260-1675nm下输入角向偏振光时的光场分布和偏振分布如图3c所示，所有结果均与拓扑模式相符合。实验证明，狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤能够支持宽带范围内的单偏振单模传输，实验结果与理论设计相符合，证实了狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤独特的拓扑保护性质。

该研究对基础科学和工程技术领域均具有广泛应用前景。在基础研究层面，狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤的实际实现是拓扑光子晶体光纤由理论迈向实际的坚实一步，证明了理论构想中的拓扑保护性质的存在，为狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤及其他拓扑光子晶体光纤进一步的应用实现打下了基础。在技术应用层面，狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤独特的拓扑性质能够在量子通信、光纤传感等领域展现出独特的应用价值，为高性能光纤传输开辟新的道路。未来，研究团队将进一步探索拓扑光子晶体光纤的全新应用方式与应用形式，为科学研究和产业创新提供新的技术手段。

该研究于2025年12月11日见刊，华中科技大学武汉光电国家研究中心和光学与电子信息学院为论文第一单位，其他合作单位分别为南方科技大学电子与电气工程系、长飞光纤光缆股份有限公司、武汉科技大学理学院、华南理工大学物理与光电学院。博士生牛泉皓为论文的共同第一作者、排名第一，颜贝博士、沈磊博士为共同第一作者。王健教授与高振副教授、沈平教授、颜贝博士为论文共同通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金资助。查询进一步信息，请访问官方网站http://news.hust.edu.cn/info/1003/57661.htm。（Robin Zhang，产通数造）    （完）