主要内容：光传播的操控是现代光子学的一个核心研究重点，对光通信、光计算和集成光子电路有着重要的影响。在过去的二十年中，拓扑光子学已成为一种革命性的模型，能够通过拓扑保护的边缘态实现稳健的单向光导向，并为设计具有前所未有的对由缺陷或结构不完善引起的反向散射免疫力的光子器件开辟了新的途径。然而，基于拓扑的光导向存在一个固有的要求：光必须被限制在具有完整能带隙的拓扑不同的光子绝缘体之间的接口上，在这里，边缘模式通道仅占总面积的一小部分。这一限制导致人们普遍接受了一种权衡，即实现拓扑保护的单向运输需要以空间效率为代价，因为提供非平凡拓扑的体积区域在操作频率下仍然是波禁止的。图1：无绝缘体的拓扑光子多车道高速公路的机制。a，支持单向边界模式的拓扑接口波导，限制在两个具有不同拓扑不变量的光子绝缘体之间。b，通过在两个拓扑不同的绝缘体之间插入一个具有无隙Dirac锥的光子晶体层（灰色）形成的拓扑大面积波导。c，在参数空间（m P，m T）中光子石墨烯的相图，显示四种不同的绝缘体相。不同相中的能带结构以示意图的形式展示，谷-陈数在K和K′处标记。四条关键相变边界（标记为A、B、C和D）分别用红、蓝、绿和黄线表示。d，位于相变边界的四个PVHSMs 的示意能带结构。e，由定期排列的四个PVHSM域A、B、C和D组成的无绝缘体拓扑光子高速公路示意图，箭头指示每个域中的单向波传播。f，e中各域之间两谷的有效Dirac质量m K和 ext{m}_{{{ ext{K}}}^{{ ext{'} }}}的分布。d中Dirac锥处的实线段表示e中不同域支持的拓扑单向锯齿模式。一类三域异质结构部分解决了这一限制，通过在两个拓扑不同的光子绝缘体之间引入一个无隙的中介域（图1b）。这种配置将局部边界模式扩展为大面积波导模式，提供了更大的空间操控自由度。然而，绝缘体包覆的要求依然存在。尽管最近的研究表明，可以通过工程设计相邻光子晶体通道之间的非重叠等频率面作为“平行光学空间”来实现无包覆波导，但这种方法缺乏拓扑保护，使这些波导容易受到尖锐弯曲、形状变化和结构缺陷的干扰。这个困境提出了一个根本性的挑战：是否可以创造出一种拓扑波导设备，在充分利用空间资源的同时保持稳健的单向光传播？在本工作中，我们通过提议一种新的拓扑波导机制来解决这个挑战，该机制同时实现了100%的空间利用率和拓扑稳健性。我们引入了一种无绝缘体的拓扑多车道波导架构，由四个不等价的PVHSM组成（标记为A、B、C和D）。每个PVHSM位于拓扑相变边界上，表现出双重性质：在一个谷中作为未配对的Dirac半金属，而在另一个有能隙的谷中表现为拓扑绝缘体（图1c、d）。这四个PVHSM通过时间反转（ ext{T}）或反演（ ext{P}）操作相互关联，以循环方式排列形成独立的光子车道（图1e）。通过独立控制相邻车道中两个谷的部分带隙形成和拓扑，每个车道同时作为谷极化波导，并为相邻车道提供拓扑隔离。这样，光可以在每个通道内单向传播，每两个车道交替方向，形成类似于“光子高速公路”的结构。这一机制突破了长期以来对拓扑输运必须依赖于拓扑绝缘体的边缘/域壁态的假设，并重塑了拓扑光子器件的设计模式，揭示出通往稳健、密集集成的光学系统的道路，超越了传统光子器件的固有限制。