探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年2月23日

我們每天上網(wǎng)、打電話，背后都離不開玻璃光纖里穿梭的光信號(hào)。這種傳統(tǒng)光纖結(jié)構(gòu)很簡單，就是一根芯，光在里面可以向前或者向后跑。

但問題也出在這里。光纖制造得再精密，玻璃里也難免有極微小的瑕疵。對(duì)于普通光來說，這些瑕疵就像路上的石子，要么把光踢出軌道（泄露），要么把它彈回去（反射）。

結(jié)果就是信號(hào)變?nèi)?，甚至中斷。這就好比你在一個(gè)筆直的胡同里騎車，最怕突然冒出來的障礙物。

為了解決這個(gè)問題，工程師想過用多芯光纖，用多條路并行來增加運(yùn)力。可新麻煩來了：相鄰車道的光會(huì)互相“串門”，這叫“耦合”。串門一多，噪聲就大，信息就亂。

有沒有一種辦法，能讓光對(duì)這些瑕疵“視而不見”？

英國巴斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)想到一個(gè)絕妙的點(diǎn)子，答案簡單得讓人意外：擰它。

他們?cè)谥圃旃饫w時(shí)，不僅設(shè)計(jì)了多個(gè)纖芯，還順手給整根光纖加上一個(gè)可控的扭轉(zhuǎn)。這個(gè)看似隨意的動(dòng)作，卻從根本上改變了光的行進(jìn)規(guī)則。

這種帶扭結(jié)的多芯結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出了“光子拓?fù)浣^緣體”。這是一個(gè)聽起來很玄，但效果很酷的物理效應(yīng)。

它會(huì)在光纖內(nèi)部形成一條“受保護(hù)的光通道”。光進(jìn)入這個(gè)通道后，狀態(tài)變得非常穩(wěn)定。它不再隨意亂竄到隔壁纖芯，遇到玻璃里的微小缺陷時(shí)，也不散射了，而是像水流遇到石頭一樣，自然地從旁邊繞過去，然后繼續(xù)前進(jìn)。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上的研究，核心突破就在于此 。研究團(tuán)隊(duì)用的材料就是通信級(jí)光纖的標(biāo)準(zhǔn)材料，那道關(guān)鍵的“擰麻花”工序，也可以在現(xiàn)有拉絲工藝中輕松實(shí)現(xiàn)。

這意味著，新光纖的制造成本沒有大幅增加，但它天生就對(duì)缺陷免疫。

這里得稍微解釋一下“拓?fù)洹薄?/p>

在物理學(xué)里，拓?fù)溲芯康氖俏矬w在連續(xù)變形下仍保持不變的性質(zhì)。一個(gè)經(jīng)典比喻是：面包圈和咖啡杯，在拓?fù)鋵W(xué)家眼里是一回事，因?yàn)樗鼈兌加幸粋€(gè)洞。而一個(gè)饅頭沒有洞，就和它們不是一類。

巴斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)做的，就是通過“擰”這個(gè)動(dòng)作，在光纖這個(gè)圓柱體里，人工構(gòu)造出了一個(gè)“洞”。這個(gè)“洞”不是物理上的空洞，而是一種數(shù)學(xué)上的、穩(wěn)定存在的模式。

光一旦進(jìn)入這個(gè)受拓?fù)浔Ｗo(hù)的模式，它走的路徑就被“鎖定”了。普通的缺陷、彎曲，無法改變它的行進(jìn)方向，因?yàn)樗幱谝粋€(gè)更高級(jí)、更穩(wěn)定的能量狀態(tài)。

過去研究拓?fù)涔庾訉W(xué)，往往要在實(shí)驗(yàn)室里搭建復(fù)雜的光子晶體或微環(huán)諧振腔，樣品通常只有指甲蓋大小。而巴斯大學(xué)這次做的是光纖，可以拉出幾百米甚至更長，還柔軟可彎曲。這為拓?fù)涔庾訉W(xué)走出實(shí)驗(yàn)室，邁向?qū)嵱没伷搅岁P(guān)鍵道路。

看到巴斯大學(xué)的新突破，中國讀者自然會(huì)問：我們?cè)谕負(fù)涔庾訉W(xué)這塊研究得怎么樣了？

答案是：不僅緊跟，而且在某些方向甚至跑在了世界最前沿。

如果巴斯大學(xué)的工作是“擰麻花”實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化突破，那中國科學(xué)家則在“搭積木”層面，把拓?fù)涔庾訉W(xué)推向了新高度。

2025年，南方科技大學(xué)高振副教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》上連續(xù)發(fā)表重磅成果。他們用金屬和介質(zhì)柱搭出精密的“籠式”三維光子晶體，首次在三維空間中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了光學(xué)拓?fù)涞依藴u旋傳輸態(tài)。

這個(gè)概念比較專業(yè)，但你可以理解為：過去大家在二維平面上保護(hù)光，南科大團(tuán)隊(duì)把戰(zhàn)場擴(kuò)展到了三維空間，讓光沿著一條一維的“渦旋線”缺陷穩(wěn)定傳輸，同樣對(duì)各種障礙物免疫。

緊接著，高振團(tuán)隊(duì)又在同一個(gè)三維結(jié)構(gòu)里，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了受拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)（二維）、鉸鏈態(tài)（一維）和角態(tài)（零維）。這就好比在一棟大樓里，不僅外墻能導(dǎo)光，所有的房梁和墻角也都能導(dǎo)光，而且光都被牢牢鎖定在這些邊界上，不亂跑、不散射。

之江實(shí)驗(yàn)室的研究人員也做了很好的綜述，指出用超快激光直寫技術(shù)，可以在玻璃內(nèi)部像3D打印一樣，直接寫出各種拓?fù)涔庾有酒?。這表明我們?cè)谄骷苽涔に嚿弦矁?chǔ)備了深厚功力。

巴斯大學(xué)的工作，加上中國科學(xué)家們的一系列突破，清晰地勾勒出拓?fù)涔庾訉W(xué)的未來。

如果把光通信比作高速公路網(wǎng)，傳統(tǒng)光纖就像在路面上畫了線，但車還是可能因路面顛簸而失控。而拓?fù)涔饫w，相當(dāng)于給每輛車裝上了無形的“軌道”，無論路況如何，車都沿著軌道精準(zhǔn)飛馳。

未來，這種抗干擾的光纖可以用于芯片間的光互連，解決“電”的瓶頸；可以用在量子通信中，保證脆弱的光子態(tài)不丟失；還可以用在精密傳感里，哪怕光纖被彎曲或損壞，測(cè)量依然精準(zhǔn)。

當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室的幾米樣品，到鋪進(jìn)千家萬戶的通信網(wǎng)絡(luò)，還有很長的路要走。比如，如何精確控制扭轉(zhuǎn)的均勻性？如何與現(xiàn)有設(shè)備高效對(duì)接？這些都是工程化的挑戰(zhàn)。

但正如巴斯大學(xué)的研究所示，那條通往未來的路，或許就從給光纖“擰一下”開始。而在這場全球競賽中，中國科學(xué)家已經(jīng)在多個(gè)維度上，拿到了領(lǐng)先的身位。