引言

近年来，光子拓扑绝缘体在集成光电子技术领域取得显著进展。这类系统具有独特性质，使光可以沿边缘传播而不受缺陷或无序影响，在光量子技术、激光器和大规模集成光电子技术应用中具有重要价值。

传统光子拓扑结构受限于固定配置，难以实现不同拓扑模型或进行制造后调节。然而，最新进展引入了革新性方法：可编程光子拓扑绝缘体，提供了极高的灵活性和可重构性[1]。

图1：拓扑谐振器阵列概览，展示了(a) iPronics系统中创建的阵列整体视图，(b) 6×9阵列包含位点和连接谐振器，(c) 突出显示路径的谐振器单元，以及(d) 可编程单元(PUC)示意图。

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系统架构与设计

该可编程平台的基础是由硅基光电子马赫-曾德尔干涉仪(MZI)组成的六边形网格。每个MZI形成一个具有两个输入和两个输出的可编程单元，可精确控制光传输的功率和相位。系统通过创建支持顺时针和逆时针共振模式的位点谐振器网格来实现量子自旋霍尔哈密顿量，这些谐振器通过控制位点间耦合相位的连接谐振器相连。

该平台使用包含约700个可编程单元的定制仿真网格，实现了具有54个位点和93个连接谐振器的阵列。每个谐振器由六个PUC组成，单个PUC长度约811微米，产生115皮米(14.6千兆赫兹)的自由光谱范围。

图2：阵列激发演示，显示了(a) 所有端口的光谱，(b) 体态分布，以及(c) 拓扑边缘态传播。

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拓扑行为与性能

在特定频率激发时，系统展现出独特的拓扑特性。光谱显示在中心频率周围存在明显的带隙，被连续区域包围。在带隙内，离散能级对应于形成顶部路径的环中的功率测量和底部边缘剩余功率。

功率分布根据激发频率表现出显著不同的模式。在连续区域中，功率在阵列中无方向性地分散。然而，当在带隙内激发时，功率沿边缘均匀地顺时针传播，在到达输出环之前保持稳定的功率水平。

图3：带宽和制造缺陷仿真分析，显示了(a) 带宽与耦合率的关系，(b) 无序引入方法，以及不同条件下的各种无序效应(c-f)。

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系统稳健性与可重构性

该可编程平台的显著优势在于即使存在制造缺陷和无序，仍能保持拓扑保护。通过调节耦合强度可以调谐系统带宽，随着耦合率增加，拓扑带隙宽度增大。

图4：展示了阵列尺寸的灵活性，显示了(a) 3×3，(b) 4×4，(c) 5×5和(d) 6×6配置，说明了拓扑效应的可扩展性。

该平台的可重构性使实现各种尺寸的拓扑阵列成为现实，从3×3到6×6配置均可实现。即使在最小的3×3阵列中也可观察到拓扑效应，尽管在较大配置中边缘之间的功率差异更为明显。

图5：通过移除单元演示系统稳健性，显示了(a) 边缘位点移除和(b) 体阵列位点移除对边缘态传播的影响较小。

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结论

这种可编程平台在光子拓扑绝缘体领域实现了重要突破，可用于实现各种拓扑模型。在存在显著无序和缺陷的情况下仍能保持边缘态保护，结合阵列尺寸和形状的可重构性，为光量子信息处理和集成光电子技术应用提供了新方向。

该系统在1,550纳米波长附近实现了45皮米(5.8千兆赫兹)带宽，可在谐振器自由光谱范围内实现全波长可调谐性。这些特性已在商用平台上实现，可应用于量子传输波导和高效率拓扑光学调制器。