光纤自己拧个麻花，信号就不怕丢了

探索宇宙奥秘 · 理性思考

2026年2月23日

我们每天上网、打电话，背后都离不开玻璃光纤里穿梭的光信号。这种传统光纤结构很简单，就是一根芯，光在里面可以向前或者向后跑。

但问题也出在这里。光纤制造得再精密，玻璃里也难免有极微小的瑕疵。对于普通光来说，这些瑕疵就像路上的石子，要么把光踢出轨道（泄露），要么把它弹回去（反射）。

结果就是信号变弱，甚至中断。这就好比你在一个笔直的胡同里骑车，最怕突然冒出来的障碍物。

为了解决这个问题，工程师想过用多芯光纤，用多条路并行来增加运力。可新麻烦来了：相邻车道的光会互相“串门”，这叫“耦合”。串门一多，噪声就大，信息就乱。

有没有一种办法，能让光对这些瑕疵“视而不见”？

英国巴斯大学领导的国际团队想到一个绝妙的点子，答案简单得让人意外：拧它。

他们在制造光纤时，不仅设计了多个纤芯，还顺手给整根光纤加上一个可控的扭转。这个看似随意的动作，却从根本上改变了光的行进规则。

这种带扭结的多芯结构，创造出了“光子拓扑绝缘体”。这是一个听起来很玄，但效果很酷的物理效应。

它会在光纤内部形成一条“受保护的光通道”。光进入这个通道后，状态变得非常稳定。它不再随意乱窜到隔壁纤芯，遇到玻璃里的微小缺陷时，也不散射了，而是像水流遇到石头一样，自然地从旁边绕过去，然后继续前进。

这项发表在《自然·光子学》上的研究，核心突破就在于此 。研究团队用的材料就是通信级光纤的标准材料，那道关键的“拧麻花”工序，也可以在现有拉丝工艺中轻松实现。

这意味着，新光纤的制造成本没有大幅增加，但它天生就对缺陷免疫。

这里得稍微解释一下“拓扑”。

在物理学里，拓扑研究的是物体在连续变形下仍保持不变的性质。一个经典比喻是：面包圈和咖啡杯，在拓扑学家眼里是一回事，因为它们都有一个洞。而一个馒头没有洞，就和它们不是一类。

巴斯大学团队做的，就是通过“拧”这个动作，在光纤这个圆柱体里，人工构造出了一个“洞”。这个“洞”不是物理上的空洞，而是一种数学上的、稳定存在的模式。

光一旦进入这个受拓扑保护的模式，它走的路径就被“锁定”了。普通的缺陷、弯曲，无法改变它的行进方向，因为它处于一个更高级、更稳定的能量状态。

过去研究拓扑光子学，往往要在实验室里搭建复杂的光子晶体或微环谐振腔，样品通常只有指甲盖大小。而巴斯大学这次做的是光纤，可以拉出几百米甚至更长，还柔软可弯曲。这为拓扑光子学走出实验室，迈向实用化铺平了关键道路。

看到巴斯大学的新突破，中国读者自然会问：我们在拓扑光子学这块研究得怎么样了？

答案是：不仅紧跟，而且在某些方向甚至跑在了世界最前沿。

如果巴斯大学的工作是“拧麻花”实现了实用化突破，那中国科学家则在“搭积木”层面，把拓扑光子学推向了新高度。

2025年，南方科技大学高振副教授团队在《自然·通讯》上连续发表重磅成果。他们用金属和介质柱搭出精密的“笼式”三维光子晶体，首次在三维空间中实验观测到了光学拓扑狄拉克涡旋传输态。

这个概念比较专业，但你可以理解为：过去大家在二维平面上保护光，南科大团队把战场扩展到了三维空间，让光沿着一条一维的“涡旋线”缺陷稳定传输，同样对各种障碍物免疫。

紧接着，高振团队又在同一个三维结构里，同时实现了受拓扑保护的表面态（二维）、铰链态（一维）和角态（零维）。这就好比在一栋大楼里，不仅外墙能导光，所有的房梁和墙角也都能导光，而且光都被牢牢锁定在这些边界上，不乱跑、不散射。

之江实验室的研究人员也做了很好的综述，指出用超快激光直写技术，可以在玻璃内部像3D打印一样，直接写出各种拓扑光子芯片 。这表明我们在器件制备工艺上也储备了深厚功力。

巴斯大学的工作，加上中国科学家们的一系列突破，清晰地勾勒出拓扑光子学的未来。

如果把光通信比作高速公路网，传统光纤就像在路面上画了线，但车还是可能因路面颠簸而失控。而拓扑光纤，相当于给每辆车装上了无形的“轨道”，无论路况如何，车都沿着轨道精准飞驰。

未来，这种抗干扰的光纤可以用于芯片间的光互连，解决“电”的瓶颈；可以用在量子通信中，保证脆弱的光子态不丢失；还可以用在精密传感里，哪怕光纤被弯曲或损坏，测量依然精准。

当然，从实验室的几米样品，到铺进千家万户的通信网络，还有很长的路要走。比如，如何精确控制扭转的均匀性？如何与现有设备高效对接？这些都是工程化的挑战。

但正如巴斯大学的研究所示，那条通往未来的路，或许就从给光纤“拧一下”开始。而在这场全球竞赛中，中国科学家已经在多个维度上，拿到了领先的身位。