近年来，随着微纳制备工艺的进步，光学器件向微纳化发展，逐渐减小体积。从上世纪80年代提出的光子晶体，到本世纪提出的超构表面结构，不约而同的都是把尺度小于光学波长的微纳结构介质，在空间中人工排列而成。这种人工亚波长光学结构，亦称为超构材料或超结构，具有更高的调控自由度，能实现更加复杂的光场调控行为，并应用于片上微纳集成光学器件，以及新一代信息系统（如片上光互连，探测器等）。
同样是近年来，科学家们将拓扑学的概念引入了光学系统，提出了“拓扑光学”这一全新学科。拓扑引申自数学中的概念，即几何图形或空间在连续改变形状后保持不变的性质。拓扑光学则反映了光学行为在结构发生微扰下保持不变的性质。这种另辟蹊径的光学新方法，为提升微纳光学器件的抗干扰性、降低缺陷与急弯导致的损耗提供了很好的方案。我国科研团队针对拓扑光学和微纳光学器件开展了全方位研究，提出并实现了丰富多样的片上拓扑集成光学器件。
将拓扑光子学引入光子晶体系统，称为拓扑光子晶体。它可以在微纳尺寸下实现在经过缺陷或急弯时低损耗的抗散射光传输和复杂光调控行为，是集成光学的重要研究方向。拓扑光子晶体中的类量子能谷霍尔效应只依赖结构的对称性，和材料的性质无关。利用这一特点制备而成的能谷光子晶体，非常有利于片上集成。所以在集成光学领域，类量子能谷霍尔效应的研究受到了人们广泛重视。
我国研究人员利用能谷拓扑自带的拓扑保护性，在微纳尺寸用能谷光子晶体实现了拓扑保护的抗散射传输光波导。这种光波导能够以低损耗实现120°的急弯传输。实验证明光波导对直线路径和急弯路径都具有高透射率。该工作在1550nm通信波段用微纳光学结构实现了传统条形硅波导不具有的光传输和调控行为，为片上集成光学器件提供了重要的设计方向。
启发自上述能谷光子晶体波导对120°转弯传输的抗散射特性，能谷光子晶体也可以实现片上光分束器。基于这种思路，我国科学家用能谷光子晶体设计了微纳尺寸的片上四通道鱼叉形光分束器，实验证明了该结构在1550nm附近很宽波长范围内都可以实现拓扑保护的1：1的光束等分。这种片上光分束器不仅可以用于经典光调控，还可以用于光量子调控。例如该工作基于上述的拓扑能谷光分束器，实验演示了光量子的片上Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉。
除了光波导，拓扑光子晶体还有望应用于其它片上集成光学器件，如光学微腔。人们发现，二维拓扑光子晶体的一阶拓扑相对应边界局域的光传输，而二阶拓扑相对应光场局域在两条边界的夹角处，称为二阶角态。我国研究人员将两块具有不同拓扑数的光子晶体平板拼接，边界夹成直角，夹角处可以激发空间局域性很强的光场，且能量损耗速度较慢。该工作为通讯波段光的高能量密度微腔提供了重要的设计思路。拓扑微腔有望应用于片上集成光学器件如非线性作用增强器件或片上电泵浦激光源。
回顾拓扑光子学的发展历程，其经历了原理创新、设计方法、器件应用的链条式发展过程。除了拓扑光子晶体，将拓扑光子学引入其它光学器件，有望应用于超分辨成像、超灵敏探测、高效微纳光电子集成芯片等领域。拓扑光子学从原理上打破了传统集成光学的局限，为新一代信息光子技术开辟了广阔的空间。
参考文献
1. Physical Review Letters 100, 013904 (2008). 拓扑光子晶体的首次提出
2. Nature Communications 10, 872 (2019). 能谷光子晶体的抗散射光传输
3. Physical Review Letters 126, 230503 (2021). 能谷光子晶体实现片上光分束器和片上HOM干涉
4. Photonics Research 9, 1423 (2021). 拓扑光子晶体实现的角态微腔