微波隔离器是一种重要的非互易器件，广泛应用于移动基站、雷达阵列、核磁共振、和卫星通信等现代微波系统中。隔离器允许正向信号通过，阻止反向信号，以保护包括微波源在内的敏感元件，提高系统的整体性能。隔离器的核心指标是隔离度，其定义为正向与反向信号的传输功率比。目前商用器件如结型隔离器，一般提供约20dB左右的隔离度。然而一些大功率或低噪声的应用需要更高的隔离度，如大功率雷达、高分辨核磁共振、和超导量子计算等。虽然简单地串联多个隔离器可以增加隔离度，但这种方法会造成更高的插入损耗、更大的器件尺寸、更多的阻抗失配、以及更复杂的系统配置，所有这些都以降低系统的整体性能为代价。

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室的博士后王刚和陆凌研究员，设计并实验验证了一种拓扑微波隔离器，实现了>100dB的超高隔离度。他们利用拓扑单向边缘态将隔离器中的正向和反向传输信号在空间上分离（图a），通过在反向路径上加吸收体将反向信号吸收到任意低的水平，同时又完全不影响正向信号的传输，从而最大化器件隔离度。当反向传输信号被充分吸收，反向能量的传递只剩下拓扑带隙内的倏逝波，其能量随距离指数衰减，且衰减指数正比于拓扑带隙的大小。因此，拓扑隔离器的最大隔离度由拓扑带隙的大小和输入输出端口之间拓扑材料的长度决定。

　　两位作者选取了常用的铁氧体材料（图c），其本征旋磁谐振打开的拓扑带隙超过两个倍频程，带隙中存在单向边缘态。边缘态的位置由上下铁氧体中间的金属片边界决定，这种带线结构方便和最常用的同轴电缆匹配。理论和仿真结果都表明，当器件长度仅为一个真空波长（~10GHz），该拓扑隔离器可实现高达200dB的隔离度，表示对反射信号强度的隔离效果比传统单个隔离器高出18个数量级。在对应的实验测量中，反向信号已经被衰减到了仪器的最低探测极限（约-120dB），而正向信号的插入损耗最低仅有1dB，实现了超过100dB的隔离度。未来通过优化设计，可以进一步提升器件隔离度和减小器件尺寸。

　　拓扑隔离器的发明为实现超高隔离度铺平了道路，对于极低噪声和极高功率的微波系统发展非常重要。本研究展现了拓扑光子学对微波工程领域的革新能力，也预示着拓扑物理的应用前景。相关成果以“Topological microwave isolator with >100-dB isolation”为题发表在Nature Photonics杂志，中国科学院物理研究所L01组博士后王刚为第一作者，陆凌研究员为通讯作者，该项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院和北京自然科学基金的资助。

图：拓扑微波隔离器的原理和实现　a. 拓扑隔离器的工作原理；b. 结型隔离器的工作原理；c. 拓扑隔离器的组成；d. 拓扑隔离器的实验散射参数，其拓扑带隙超过两个倍频程，插入损耗最小到1dB，隔离度超过100dB。