引言

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的陆凌研究团队在《自然·光子学》上发表了一项突破性研究，题为《拓扑微波隔离器实现超过100dB的隔离度》。该研究首次将拓扑光子学原理应用于微波隔离器设计中，实现了在单波长尺寸器件中隔离度超过100dB的超高性能，较传统隔离器提升了八个数量级，为高频通信、广东会计算等高端系统提供了前所未有的信号保护能力。

第一章

1.微波隔离器为何如此重要？

微波隔离器是一种非互易器件，能够允许信号在一个方向通过，而在反方向强烈衰减，从而防止反射信号干扰源端或其它敏感元件。自二战后期问世以来，它已成为移动通信基站、卫星通信、雷达、磁共振成像和工业微波加热等系统中不可或缺的组件。

理想的隔离器可用散射矩阵描述为：

即正向传输完美（S₂₁=1），反向传输为零（S₁₂=0）。现实中，商用隔离器通常仅能提供约20dB的隔离度，即反向功率衰减至原来的1/100。对于功率极高或噪声极低的系统（如超导广东会计算机），这一指标远远不够。

2.传统隔离器的瓶颈

传统的“结型隔离器”使用磁化铁氧体盘片，通过频率分裂实现非互易传输。尽管结构成熟，但其隔离度受限于正向与反向信号在同一空间区域重叠的特性。若想进一步吸收反向信号，往往也会损失正向信号，导致插入损耗增大。

串联多个隔离器虽可提升隔离度，但会引入耦合损耗、阻抗失配、体积增大等问题，系统复杂度与性能均受影响。

3.拓扑光子学带来的突破

研究团队提出利用拓扑光子学中的单向边缘波导来突破这一瓶颈。拓扑绝缘体具有受拓扑保护的边界态，能够在材料边界上实现单向传播的电磁模式，且对缺陷和扰动具有强鲁棒性。

在该设计中，正向波与反向波被空间分离：正向波沿一条边缘无损耗传播，而反向波则被引导至另一条边缘，并被沿线布置的吸收材料完全吸收（见图1b）。这种机制使得反向信号可以被无限衰减，而完全不影响正向传输。

图1 结型隔离器和所提出的拓扑隔离器。

4.拓扑隔离器的理论极限

研究团队从理论上推导出拓扑隔离器的隔离度极限公式：

Isolation (dB)=βL·(20log₁₀[e])

其中，β 为衰减常数，L为波导长度。隔离度仅与器件长度和材料带隙中的衰减能力有关。在铁氧体材料的拓扑带隙内，β 可趋于无穷大，理论上可实现200dB甚至更高的隔离度。

第二章

1.实验设计与实现

团队采用带状线边缘模结构（图2c），该结构本质上是“折叠”的磁畴壁，可在均匀磁场下实现单向传播。器件由铁氧体、铜、吸收材料和铝外壳组成，尺寸紧凑（铁氧体长度仅25 mm），适用于标准微波封装。

仿真结果显示，在拓扑带隙内（3–14GHz），隔离度在带隙中心可达200dB，在带隙边缘仍保持60dB（图2d）。场分布模拟进一步证实，反向信号几乎完全被吸收，仅有微弱的倏逝场能穿透至输入端口（图2e）。

图2 拓扑隔离器的设计。

2.实验结果与性能

实验制备的拓扑隔离器在H=5100Oe 的偏置磁场下，实测隔离度超过100dB（图3b），插入损耗仅约1dB。这一性能相当于五个商用结型隔离器串联的效果，而器件尺寸和群延迟均显著优于串联方案。

值得注意的是，实验值仍低于理论极限，主要受限于吸收材料的不完美和仪器噪声底（约-120dB）。若使用更优吸收体或优化结构，隔离度仍有大幅提升空间。

图3 拓扑隔离器的实验性能。

3.偏场调谐与表面效应

研究还展示了通过调节外磁场可实现器件工作频段的可调谐性（图4）。当磁场超过铁氧体饱和磁化强度后，带隙向高频移动，隔离性能保持稳定。

图4 不同偏置磁场（H值）下的拓扑隔离器性能。

实验中观察到的 S₂₁ 凹陷源于铁氧体表面磁化强度低于体材料，导致表面拉莫频率进入带隙，引发额外吸收。团队通过建立表面层模型成功复现了这一现象。

第三章 总结与展望

本研究首次将拓扑保护机制成功应用于微波隔离器，实现了单器件隔离度超过100dB的突破，带宽覆盖超过两个倍频程，插入损耗低至1dB。这不仅大幅提升了隔离器的性能上限，也为拓扑光子学在实用微波器件中的应用树立了里程碑。

未来，通过优化吸收材料、引入慢波结构、改进耦合设计，拓扑隔离器的性能还可进一步提升，甚至实现片上集成，为广东会电路、6G通信、雷达系统等提供更小型化、高效率的非互易解决方案。

中国科学院物理研究所陆凌团队表示，这项研究展示了拓扑光子学在“成熟”的微波技术中依然具有巨大的创新潜力，未来将继续探索拓扑器件在多频段、可重构、低功耗方向的发展路径。

原文链接：Wang, G., Lu, L. Topological microwave isolator with >100-dB isolation. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01750-w