CN114488356B - 一种紧凑型微波拓扑分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型的微波拓扑分束器。所述分束器包括二维截面为矩形的具有相反磁化的第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体；第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体中均包括多行由圆形的介质柱周期排列构成的蜂窝状晶格，同一行中相邻的蜂窝状晶格共用中间的两个介质柱；所有介质柱置于空气背景下；将两个大小相等、传输方向相反的第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体拼接在一起，在拼接线两端分别放置第一点光源和第二点光源。本发明设计了集多通道、防串扰、紧凑、可调配以及受拓扑保护于一体的分束器，这是已有的分束器所不能同时实现的，对光通信的光路集成、高效传输具有重大的意义。
Description
技术领域
本发明属于微波光学、拓扑光子学、磁光光子晶体领域，特别涉及一种紧凑型微波拓扑分束器。
背景技术
分束器是超密集成光路的关键设备，在光通信中具有提高传输效率的优点。近年来，基于光子晶体波导的光分束器受到广泛研究人员的青睐。光子晶体波导分束器是利用线缺陷能导光的特性实现光波分束的器件。然而，由普通光子晶体波导组成的分束器没有拓扑保护，本质上遭受着巨大的后向散射损失(高震等人在文章Guiding,bending,andsplitting of coupleddefect surface modes in asurface-wave photonic crystal中提出使用普通光子晶体构建弯曲波导)。相反地，利用磁光材料的旋磁特性，研究人员发现基于磁光光子晶体能产生单向传输、抗背向散射、免疫缺陷传输等性能优异的拓扑光子态，引起了人们的广泛关注。
近来，利用磁光光子晶体波导实现具有优异性能的光分束器的研究也开始崭露头角，科学家们开始利用磁光光子晶体波导实现功能各异的分束器。例如，张丽等人提出了基于拓扑光子谷霍尔绝缘体的拓扑分束器虽具有拓扑保护，但由于它们只支持左圆偏振波或右圆偏振波的传输，因此要实现多通道传输需要更大体积的晶体结构并且很难实现对分光比的调控(Valley Kink States and Topological Channel Intersections inSubstrate-Integrated Photonic Circuitry)。对于杨玉婷等人提出的基于拓扑光子自旋霍尔绝缘体的拓扑分束器同样具有拓扑保护，但它们只支持赝自旋向下波和赝自旋向上波的输运，因此它们与谷霍尔分束器类似也需要更大体积的磁光光子晶体(Visualizationof a Unidirectional Electromagnetic Waveguide Using Topological PhotonicCrystals Made of Dielectric Materials)。基于手性磁光光子晶体的拓扑分束器由于单向波导沿着两个平行边界向相反方向传输，实现四通道至少需要四块磁光光子晶体，同样结构不够紧凑(Tunable one-way cross-waveguide splitter based on gyromagneticphotonic crystal)；此外，由手性蜂窝状磁光光子晶体构成的分束器，由于其单向边界态可同时存在与锯齿形边界和扶手椅形边界，因此会引起不可避免的串扰。
总而言之，对于目前现有的结构要想实现多通道，需要更大体积的结构，不利于集成。
发明内容
为了克服现有光分束器的缺点与不足，本发明的目的是在于提出一种基于复合反手性蜂窝状磁光光子晶体构成的紧凑型的拓扑分束器，由于反手性蜂窝状磁光光子晶体只支持锯齿形边界的反手性单向边界态，而不支持在扶手椅形边界的任何边界态，因此上、下锯齿形边界产生的波导通过扶手椅形边界会相隔开从而实现防串扰功能。并且该分束器在宽度上至少需要三行蜂窝状晶格就可实现上、下边界互不干扰的边界态，极大地节省了空间，使结构更为紧凑，此外所述分束器能通过简单的源激发条件变化，将能量按任意可配置的能量分配比传入多个单向边界态通道。该分束器具有9.10～9.40(GHz)的可调工作带宽，同时又具有简便的光束比可控的功能。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种紧凑型的微波拓扑分束器，包括二维截面为矩形的具有相反磁化的第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体；
第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体中均包括多行由圆形的介质柱周期排列构成的蜂窝状晶格，同一行中相邻的蜂窝状晶格共用中间的两个介质柱；所有介质柱置于空气背景下，蜂窝状晶格的晶胞的二维截面为正六边形，蜂窝状晶格的晶胞分为两个交错的正三角形子晶格和倒三角形子晶格，给正三角形子晶格的介质柱和倒三角形子晶格的介质柱施加方向相反的磁场，获得在微波领域的反手性边界态的独特性质，这些独特的反手性边界态是由正三角形子晶格的顺时针能流涡和倒三角形子晶格的逆时针能流涡的整体耦合作用产生的；反手性边界态即单向边界态沿着两个平行边界向相同方向传输；
将两个大小相等、传输方向相反的第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体拼接在一起，在拼接线两端分别放置第一点光源和第二点光源。
进一步地，在拼接后的第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体垂直于拼接线的两侧分别设置上分束器边界和下分束器边界，平行于拼接线的两侧分别设置左分束器边界和右分束器边界；
其中，第一点光源邻近下分束器边界，第二点光源邻近上分束器边界，设置分束器坐标系，+x方向为第一反手性磁光光子晶体指向第二反手性磁光光子晶体，-x方向是第二反手性磁光光子晶体指向第一反手性磁光光子晶体，+y方向是第一点光源指向第二点光源，-y方向是第二点光源指向第一点光源，+z方向是垂直xy平面向外，-z方向是垂直xy平面向里。
进一步地，排列的蜂窝状晶格中，根据切割方式不同，排列的介质柱可以分为锯齿形边界和扶手椅形边界，锯齿形边界呈锯齿状，扶手椅形边界呈类方波状；
拼接后的第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体中，最临近上分束器边界的两排介质柱构成上锯齿形边界，最临近下分束器边界的两排介质柱构成下锯齿形边界；最临近右分束器边界的两排介质柱构成右扶手椅形边界，最临近左分束器边界的两排介质柱构成左扶手椅形边界。
进一步地，第一反手性磁光光子晶体中，对所有正三角形子晶格的介质柱施加+z方向的磁场，对所有倒三角形子晶格的介质柱施加-z方向的磁场，由于正三角形子晶格和倒三角形子晶格的整体耦合作用产生沿上锯齿形边界和下锯齿形边界向-x方向传输的单向边界态；
第二反手性磁光光子晶体中，对所有正三角形子晶格的介质柱施加-z方向的磁场，对所有倒三角形子晶格的介质柱施加+z方向的磁场，由于正三角形子晶格和倒三角形子晶格的整体耦合作用产生沿上锯齿形边界和下锯齿形边界向+x方向传输的单向边界态；
第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体的传输方向从拼接线处背向而行。
进一步地，第一点光源和第二点光源分别放置于第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体的拼接线与下锯齿形边界和上锯齿形边界的交界处，从而激发出双向四通道的波导；
第一点光源和第二点光源分别与最临近上分束器边界的第一排介质柱和最临近下分束器边界的第一排介质柱水平；
双向四通道中，第一通道和第二通道的波导传输方向分别为从拼接处沿下锯齿形边界指向第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体；第三通道和第四通道的波导传输方向分别为从拼接处沿上锯齿形边界指向第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体；
第一反手性磁光光子晶体和第二反手性磁光光子晶体的拼接线处的波导不支持任何传输；由于拼接线处的边界为扶手椅形边界，不支持单向波导，因此光源激发的单向波导不会沿扶手椅形边界向上或向下传输，从而使得沿下锯齿形边界或上锯齿形边界，向+x方向或-x方向传输的单向波导互不干扰。
进一步地，通过改变源激发条件，即通过改变入射电磁波与下锯齿形边界和上锯齿形边界的夹角调节每个通道的分光比，具体如下：
电磁波从第一点光源的位置入射，入射角定义为入射电磁波与-x方向的夹角；当电磁波以30°角入射到整个矩形结构的下锯齿形边界时，在下锯齿形边界得到以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为1:5，即第一通道和第二通道的分光比为1:5；增大入射角至60°时，在下锯齿形边界得到以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为3:5，即第一通道和第二通道的分光比为3:5；继续增大入射角到电磁波垂直入射，此时以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为1:1，即第一通道和第二通道的分光比为1:1；再继续增大入射角则变为第一通道的能量占主导地位；
由于结构的对称性，电磁波从第二点光源的位置入射到整个矩形结构的上锯齿形边界时与电磁波从第一点光源的位置入射的情况一致；当电磁波非垂直入射时，与电磁波夹角为锐角的一边获得的能量较大，与电磁波夹角为钝角的一边获得的能量较小，可根据实际需求来调节电磁波的入射角度从而控制双向四通道中各通道所获得的光束比。
进一步地，介质柱采用的磁光材料包括钇铁石榴石铁氧体，介质柱的半径r为0.15a，a为介质柱构成的蜂窝状晶格的晶格常数；若改变晶格常数a和介质柱的半径r，则所述分束器对应的工作频率也会发生改变。
进一步地，上分束器边界和下分束器边界之间至少需要三行蜂窝状晶格，实现上分束器边界和下分束器边界互不干扰的边界态，极大地节省了空间，使结构更为紧凑，对光通信器件集成具有重大的意义；微波拓扑分束器的长度根据实际传输距离通过增加或者减小沿-x方向和+x方向的介质柱进行构建。
进一步地，上分束器边界和下分束器边界设置为理想电导体防止能量向空气中辐射；上分束器边界和下分束器边界分别与最靠近的介质柱中心的距离为0.5a，称为波导宽度；
左分束器边界和右分束器边界设置为散射边界条件，左分束器边界和右分束器边界分别与最靠近的介质柱中心的距离为0.5a。
进一步地，对介质柱沿+z或-z方向施加的磁场的大小为H0＝0.05～0.1T，T为磁场单位特斯拉。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和优异效果：
(1)拓扑保护：与普通光子晶体相比，本发明的拓扑分束器使用的是磁光光子晶体，外加磁场使得其工作频率落在带隙中，从而实现波导的抗背向散射，免疫缺陷传输等拓扑特性。
(2)高传输效率：基于反手性蜂窝状磁光光子晶体单向边界态的紧凑型微波拓扑分束器，由于波导传输具有抗背向散射效应，从而可以更好地实现高效率传输。
(3)多通道：本发明的紧凑型的微波拓扑分束器具有双向的四通道波导
(4)防串扰：将两个大小相等、传输方向背向而行的反手性蜂窝状磁光光子晶体拼接在一起，在拼接处上下各放置一光源从而激发出四个方向的单向波导。由于拼接线处的边界为扶手椅形边界，不支持单向波导，因此光源激发的单向波导不会沿扶手椅形边界向上或向下传输，从而使得沿下锯齿形边界或上锯齿形边界，向+x方向或-x方向传输的单向波导互不干扰。从而实现上、下边界波导的防串扰传输。
(5)分光比可控：通过改变入射电磁波与上下锯齿形边界的夹角从而实现左右分光比可控。当电磁波垂直入射，左右分光比为1:1，当电磁波非垂直入射，与电磁波夹角为钝角的一边获得的能量较大，与电磁波夹角为锐角的一边获得的能量较小。
(6)结构紧凑：本发明的微波拓扑分束器仅需两块矩形反手性磁光光子晶体就能实现双向四通道传输，而如果使用传统的手性磁光光子晶体实现相同的功能则必须使用至少四块磁光光子晶体。并且所述分束器在宽度上至少三行蜂窝状晶格就可实现上下边界互不干扰的边界态，极大地节省了空间，使结构更为紧凑，对光通信器件集成具有重大的意义。
(7)可调工作带宽：本发明的微波拓扑分束器的工作频率范围为9.10～9.40(GHz)。
附图说明
图1为本发明实施例中的紧凑型微波拓扑分束器结构示意图；
图2为本发明的锯齿形边界原理图，其中，图2中的a图为蜂窝状反手性磁光光子晶体锯齿形边界的投影能带图；图2中的b图为a图中落在能带带隙里4个点对应的本征场示意图；图2中的c图为蜂窝状反手性磁光光子晶体上、下锯齿形边界的反手性场传输示意图；图2中的d图为仿真透射谱示意图，图2中的e图和f图分别为对应的实验测量透射谱示意图；
图3为本发明的扶手椅形边界原理图，其中，图3中的a图为蜂窝状反手性磁光光子晶体扶手椅形边界的投影能带图；图3中的b图为a图中靠近带隙的上能带两点和下能带两点对应的本征场示意图；图3中的c图为蜂窝状反手性磁光光子晶体锯齿形边界和扶手椅形边界波导传播的边界态场分布示意图；
图3中的d图为数值模拟计算电磁场在扶手椅形边界的传输数据示意图；图3中的e图和f图分别为实验测量电磁场在左、右扶手椅形边界的传输数据示意图；
图4为本发明实施例中的一种紧凑型的微波拓扑分束器实现双向四通道的结构数据图，其中图4中的a图为实施例中的一种紧凑型的微波拓扑分束器结构图；图4中的b图、c图、d图和e图分别为a图的结构实验测量四个传输通道的传输数据示意图；
图5为本发明实施例中的一种紧凑型的微波拓扑分束器四个通道波导具有拓扑保护的结构数据图，其中，图5中的a图为实施例中验证拓扑分束器四个通道波导具有拓扑保护的结构图；图5中的b图、c图、d图和e图分别为a图的结构对应的实验测量四个传输通道的传输数据示意图；
图6为本发明实施例中一种紧凑型的微波拓扑分束器的下边界通道控制左右分光比结构数据图，其中，图6中的a图、b图和c图分别对应不同分光比的场传输计算结果图；图6中的d图、e图和f图分别对应a图、b图和c图中以电磁波入射位置为中心向右传输的边界态的透射谱示意图；
图7为本发明实施例中一种紧凑型的微波拓扑分束器的双向四通道分光比可控的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施范围不限于此。
一种紧凑型的微波拓扑分束器，如图1所示，包括二维截面为矩形的具有相反磁化的第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2；
第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2中均包括多行由圆形的介质柱13周期排列构成的蜂窝状晶格3，同一行中相邻的蜂窝状晶格3共用中间的两个介质柱13；所有介质柱13置于空气背景下，蜂窝状晶格3的晶胞的二维截面为正六边形，蜂窝状晶格3的晶胞分为两个交错的正三角形子晶格A和倒三角形子晶格B，给正三角形子晶格A的介质柱13和倒三角形子晶格B的介质柱13施加方向相反的磁场，获得在微波领域的反手性边界态的独特性质，这些独特的反手性边界态是由正三角形子晶格A的顺逆时针能流涡和倒三角形子晶格B的逆顺时针能流涡的整体耦合作用产生的；反手性边界态即单向边界态沿着两个平行边界向相同方向传输；
将两个大小相等、传输方向相反的第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2拼接在一起，在拼接线两端分别放置第一点光源11和第二点光源12。
如图1所示，在拼接后的第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2垂直于拼接线的两侧分别设置上分束器边界14和下分束器边界15，平行于拼接线的两侧分别设置左分束器边界16和右分束器边界17；
其中，第一点光源11邻近下分束器边界15，第二点光源12邻近上分束器边界14，设置分束器坐标系，+x方向为第一反手性磁光光子晶体1指向第二反手性磁光光子晶体2，-x方向是第二反手性磁光光子晶体2指向第一反手性磁光光子晶体1，+y方向是第一点光源11指向第二点光源12，-y方向是第二点光源12指向第一点光源11，+z方向是垂直xy平面向外，-z方向是垂直xy平面向里。
如图1所示，排列的蜂窝状晶格3中，根据切割方式不同，排列的介质柱13可以分为锯齿形边界和扶手椅形边界，锯齿形边界呈锯齿状，扶手椅形边界呈类方波状；
拼接后的第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2中，最临近上分束器边界14的两排介质柱13构成上锯齿形边界42，最临近下分束器边界15的两排介质柱13构成下锯齿形边界41；最临近右分束器边界17的两排介质柱13构成右扶手椅形边界52，最临近左分束器边界16的两排介质柱13构成左扶手椅形边界51。
如图1所示，第一反手性磁光光子晶体1中，对所有正三角形子晶格A的介质柱13施加+z方向的磁场，对所有倒三角形子晶格B的介质柱13施加-z方向的磁场，由于正三角形子晶格A和倒三角形子晶格B的整体耦合作用产生沿上锯齿形边界42和下锯齿形边界41向-x方向传输的单向边界态；
第二反手性磁光光子晶体2中，对所有正三角形子晶格A的介质柱13施加-z方向的磁场，对所有倒三角形子晶格B的介质柱13施加+z方向的磁场，由于正三角形子晶格A和倒三角形子晶格B的整体耦合作用产生沿上锯齿形边界42和下锯齿形边界41向+x方向传输的单向边界态；
第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2的传输方向从拼接线处背向而行。
如图1所示，第一点光源11和第二点光源12分别放置于第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2的拼接线与下锯齿形边界41和上锯齿形边界42的交界处，从而激发出双向四通道的波导；
第一点光源11和第二点光源12分别与最临近上分束器边界14的第一排介质柱13和最临近下分束器边界15的第一排介质柱13水平。
双向四通道中，第一通道6和第二通道7的波导传输方向分别为从拼接处沿下锯齿形边界41指向第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2；第三通道8和第四通道9的波导传输方向分别为从拼接处沿上锯齿形边界42指向第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2；
第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2的拼接线处的波导不支持任何传输；由于拼接线处的边界为扶手椅形边界，不支持单向波导，因此光源激发的单向波导不会沿扶手椅形边界向上或向下传输，从而使得沿下锯齿形边界41或上锯齿形边界42，向+x方向或-x方向传输的单向波导互不干扰。
通过改变源激发条件，即通过改变入射电磁波与下锯齿形边界41和上锯齿形边界42的夹角调节每个通道的分光比，具体如下：
电磁波从第一点光源11的位置入射，入射角定义为入射电磁波与-x方向的夹角；当电磁波以30°角入射到整个矩形结构的下锯齿形边界41时，在下锯齿形边界41得到以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为1:5，即第一通道6和第二通道7的分光比为1:5；增大入射角至60°时，在下锯齿形边界41得到以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为3:5，即第一通道6和第二通道7的分光比为3:5；继续增大入射角到电磁波垂直入射，此时以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为1:1，即第一通道6和第二通道7的分光比为1:1；再继续增大入射角则变为第一通道6的能量占主导地位；
由于结构的对称性，电磁波从第二点光源12的位置入射到整个矩形结构的上锯齿形边界42时与电磁波从第一点光源11的位置入射的情况一致；当电磁波非垂直入射时，与电磁波夹角为锐角的一边获得的能量较大，与电磁波夹角为钝角的一边获得的能量较小，可根据实际需求来调节电磁波的入射角度从而控制双向四通道中各通道所获得的光束比。
介质柱13采用的磁光材料包括钇铁石榴石铁氧体(YIG)，钇铁石榴石铁氧体(YIG)的介电常数为14.5，介质柱13的半径r为0.15a，a为介质柱13构成的蜂窝状晶格3的晶格常数，晶格常数a为10mm；若改变晶格常数a和介质柱的半径r，则所述分束器对应的工作频率也会发生改变。
给介质柱13沿+z或-z方向施加的磁场的大小为H0＝0.05～0.1T，T为磁场单位特斯拉。
如图1所示，上分束器边界14和下分束器边界15之间至少需要三行蜂窝状晶格3，实现上分束器边界14和下分束器边界15互不干扰的边界态，极大地节省了空间，使结构更为紧凑，对光通信器件集成具有重大的意义；微波拓扑分束器的长度根据实际传输距离通过增加或者减小沿-x方向和+x方向的介质柱13进行构建。
如图1所示，上分束器边界14和下分束器边界15设置为理想电导体防止能量向空气中辐射；上分束器边界14和下分束器边界15分别与最靠近的介质柱13中心的距离为0.5a，称为波导宽度；
左分束器边界16和右分束器边界17设置为散射边界条件，左分束器边界16和右分束器边界17分别与最靠近的介质柱13中心的距离为0.5a。
图2为本发明的原理依据之一：在第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2的上锯齿形边界42和下锯齿形边界41存在反手性边界态。图2的a图是锯齿形边界对应的投影能带图，图2的a图中在9.10-9.30GHz频率范围出现两个交叉的色散曲线，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到在该频率范围内群速度方向相同，即电磁场传输方向相同。图2的b图是图2的a图中落在带隙里的4个点(1、2、3、4)对应的本征场，图2的c图直观地展示了所述磁光光子晶体结构在平行的上锯齿形边界42和下锯齿形边界41可以激发出沿相同方向传输的边界态，即反手性边边界态。图2的d图为锯齿形边界态传输的仿真透射谱图，传输系数S21(S43)和S12(S34)，表现出强烈的反差，表明了良好的单向传播特性，其中传输系数Sab是指点b至点a的传输系数。在实验上，将YIG圆柱形介质柱置于高度为5mm的平行金属板之间，金属板厚度为1mm；另外两块相同高度的金属板被嵌入直径为2mm、高度为2mm的圆柱形永久磁铁置于底层和最上层，圆柱形永久磁铁与YIG圆柱体垂直对齐从而实现磁场的施加。使用网络分析仪进行传输测量，将发射接收探针放在图2的c图的4个标记点(1、2、3、4)进行测量。图2的e图和f图为对应的实验测量透射谱，虽然它们并不完全相同，原因是在不同实验测量中由于无法控制的微妙实验细节引起的不可避免的偏离，但图2的e图和f图在9.10-9.40GHz之间保持强烈的对比，证明了传输的单向性，实验结果与图2的d图的理论预测结果一致。
图3同样为本发明的原理依据之一：在上述的磁光光子晶体的扶手椅形边界不支持任何边界态。图3的a图是扶手椅形边界对应的投影能带图，图中在9.10-9.30GHz频率范围出现一个窄的带隙，但是带隙内不存在色散曲线；图3的b图是投影能带图中4个点(1、2、3、4)对应的本征场，可以看到这四个点对应的本征场均为体态而不是边界态。证明了扶手椅形边界不支持任何边界态。图3的c图为场传输图，图3的d图、e图和f图在9.10-9.40GHz附近均有很大的衰减，在理论上和实验上证明了沿着锯齿形边界的单向边界态不能绕过拐角继续沿扶手椅形边界传输，为本发明的拓扑分束器的防串扰功能提供理论依据。
实施例1：
图4的a图为本发明的所述的一种紧凑型的微波拓扑分束器一个实施例结构图，其结构原理与图1的结构一致。每块矩形蜂窝状反手性磁光光子晶体长25a，宽为8行蜂窝状晶格3。第一反手性磁光光子晶体1和第二反手性磁光光子晶体2与拼接线的距离为0.3a。蜂窝状晶格3的晶格常数a为10mm，介质柱12的半径为0.15a。第一点光源11和第二点光源12的激发频率范围为9.1-9.4GHz。图4的b图、c图、d图和e图分别为图4的a图对应的第一通道6、第二通道7、第三通道8和第四通道9的实验透射谱图，由于实验测量引起不可避免的操作误差，使得这四张图在振幅上存在轻微的差别，但是可以观察到正向传输明显大于反向传输，表明了单向边界态的存在；
图5的a图为本发明的所述的一种紧凑型的微波拓扑分束器一个实施例结构图。为了进一步验证所述拓扑分束器具有拓扑保护功能，在图4的a图中的每个通道上将其中一个介质柱设为金属，如图5的a图所示，其余特征均与图4的a图相同。观察到每个通道的电磁波能绕过该金属介质柱继续传输，并且传输能量几乎不受影响。验证所述拓扑分束器确实具有抗缺陷传输的拓扑特性。图5的b图、c图、d图和e图分别为图5的a图对应的第一通道6、第二通道7、第三通道8和第四通道9的实验透射谱图，正向传输与反向传输同样展现出较大的反差，证明金属介质柱没有对单向边界态的传输造成影响，表明了传输的鲁棒性。
实施例2：
图6为本发明的一种紧凑型的微波拓扑分束器分光比可控的一个实施例。除了源条件不一样，其余特征均与实施例1相同。图6计算并显示了第一通道6和第二通道7的电场强度，从而可以清晰地得到第一通道6和第二通道7的分光比。图6的a图中，电磁波以30°角从-x方向入射到下锯齿形边界41，通过线性扫描计算得到在下锯齿形边界41第一通道6和第二通道7的分光比为1:5的波导，图6的b图中，电磁波以60°角从-x方向入射到下锯齿形边界41时，在下锯齿形边界41得到第一通道6和第二通道7的分光比为3:5的波导，图6的c图中，电磁波垂直入射到下锯齿形边界41，在下锯齿形边界41得到第一通道6和第二通道7的分光比为1:1的波导。即当电磁波垂直入射，第一通道6和第二通道7的分光比为1:1，当电磁波非垂直入射，与电磁波夹角为钝角的一边获得的能量较大，与电磁波夹角为锐角的一边获得的能量较小。图6的d图、e图和f图分别对应图6的a图、b图和c图中以电磁波入射位置为中心向+x方向传输的边界态的实验透射谱。可以看到从图6的d图～f图正向传输系数和反向传输系数之间的差异在减小，这是由于以电磁波入射位置为中心的第二通道7获得的能量逐渐减小。由于结构的对称性，电磁波入射上锯齿形边界42与入射下锯齿形边界41的情况一致。
实施例3：
图7为本发明的一种紧凑型的微波拓扑分束器实现双向四通道且每个通道分光比可控的一个实施例的结构示意图，是在实施例2的基础上改变上锯齿形边界42的源激发条件控制第三通道8和第四通道9分光比，其余特征均与实施例2相同。在上锯齿形边界42电磁波以30°角从+x方向入射，得到上锯齿形边界42第三通道8和第四通道9的分光比为5:1；而在下锯齿形边界41电磁波以30°角从-x方向入射，得到下锯齿形边界41第一通道6和第二通道7的分光比为1:5。通过这个实施例，完整地展示了根据实际通道所需能量，可以通过控制入射电磁波与上锯齿形边界42和下锯齿形边界41的夹角来调整分光比，该方法控制分光比操作简单可行。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，包括二维截面为矩形的具有相反磁化的第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)；
第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)中均包括多行由圆形的介质柱(13)周期排列构成的蜂窝状晶格(3)，同一行中相邻的蜂窝状晶格(3)共用中间的两个介质柱(13)；所有介质柱(13)置于空气背景下，蜂窝状晶格(3)的晶胞的二维截面为正六边形，蜂窝状晶格(3)的晶胞分为两个交错的正三角形子晶格(A)和倒三角形子晶格(B)，给正三角形子晶格(A)的介质柱(13)和倒三角形子晶格(B)的介质柱(13)施加方向相反的磁场，获得在微波领域的反手性边界态的独特性质；
将两个大小相等、传输方向相反的第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)拼接在一起，在拼接线两端分别放置第一点光源(11)和第二点光源(12)。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，在拼接后的第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)垂直于拼接线的两侧分别设置上分束器边界(14)和下分束器边界(15)，平行于拼接线的两侧分别设置左分束器边界(16)和右分束器边界(17)；
其中，第一点光源(11)邻近下分束器边界(15)，第二点光源(12)邻近上分束器边界(14)，设置分束器坐标系，+x方向为第一反手性磁光光子晶体(1)指向第二反手性磁光光子晶体(2)，-x方向是第二反手性磁光光子晶体(2)指向第一反手性磁光光子晶体(1)，+y方向是第一点光源(11)指向第二点光源(12)，-y方向是第二点光源(12)指向第一点光源(11)，+z方向是垂直xy平面向外，-z方向是垂直xy平面向里。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，排列的蜂窝状晶格(3)中，根据切割方式不同，排列的介质柱(13)可以分为锯齿形边界和扶手椅形边界，锯齿形边界呈锯齿状，扶手椅形边界呈类方波状；
拼接后的第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)中，最临近上分束器边界(14)的两排介质柱(13)构成上锯齿形边界(42)，最临近下分束器边界(15)的两排介质柱(13)构成下锯齿形边界(41)；最临近右分束器边界(17)的两排介质柱(13)构成右扶手椅形边界(52)，最临近左分束器边界(16)的两排介质柱(13)构成左扶手椅形边界(51)。
4.根据权利要求2所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，第一反手性磁光光子晶体(1)中，对所有正三角形子晶格(A)的介质柱(13)施加+z方向的磁场，对所有倒三角形子晶格(B)的介质柱(13)施加-z方向的磁场，由于正三角形子晶格(A)和倒三角形子晶格(B)的整体耦合作用产生沿上锯齿形边界(42)和下锯齿形边界(41)向-x方向传输的单向边界态；
第二反手性磁光光子晶体(2)中，对所有正三角形子晶格(A))的介质柱(13)施加-z方向的磁场，对所有倒三角形子晶格(B))的介质柱(13)施加+z方向的磁场，由于正三角形子晶格(A)和倒三角形子晶格(B)的整体耦合作用产生沿上锯齿形边界(42)和下锯齿形边界(41)向+x方向传输的单向边界态；
第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)的传输方向从拼接线处背向而行。
5.根据权利要求2所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，第一点光源(11)和第二点光源(12)分别放置于第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)的拼接线与下锯齿形边界(41)和上锯齿形边界(42)的交界处，从而激发出双向四通道的波导；
第一点光源(11)和第二点光源(12)分别与最临近上分束器边界(14)的第一排介质柱(13)和最临近下分束器边界(15)的第一排介质柱(13)水平；
双向四通道中，第一通道(6)和第二通道(7)的波导传输方向分别为从拼接处沿下锯齿形边界(41)指向第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)；第三通道(8)和第四通道(9)的波导传输方向分别为从拼接处沿上锯齿形边界(42)指向第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)；
第一反手性磁光光子晶体(1)和第二反手性磁光光子晶体(2)的拼接线处的波导不支持任何传输。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，通过改变源激发条件，即通过改变入射电磁波与下锯齿形边界(41)和上锯齿形边界(42)的夹角调节每个通道的分光比，具体如下：
电磁波从第一点光源(11)的位置入射，入射角定义为入射电磁波与-x方向的夹角；当电磁波以30°角入射到整个矩形结构的下锯齿形边界(41)时，在下锯齿形边界(41)得到以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为1:5，即第一通道(6)和第二通道(7)的分光比为1:5；增大入射角至60°时，在下锯齿形边界(41)得到以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为3:5，即第一通道(6)和第二通道(7)的分光比为3:5；继续增大入射角到电磁波垂直入射，此时以电磁波入射位置为中心向-x方向和向+x方向的分光比为1:1，即第一通道(6)和第二通道(7)的分光比为1:1；再继续增大入射角则变为第一通道(6)的能量占主导地位；
由于结构的对称性，电磁波从第二点光源(12)的位置入射到整个矩形结构的上锯齿形边界(42)时与电磁波从第一点光源(11)的位置入射的情况一致。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，介质柱(13)采用的磁光材料包括钇铁石榴石铁氧体(YIG)，介质柱(13)的半径r为0.15a，a为介质柱(13)构成的蜂窝状晶格(3)的晶格常数；若改变晶格常数a和介质柱的半径r，则所述分束器对应的工作频率也会发生改变。
8.根据权利要求2所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，上分束器边界(14)和下分束器边界(15)之间至少需要三行蜂窝状晶格(3)，实现上分束器边界(14)和下分束器边界(15)互不干扰的边界态；微波拓扑分束器的长度根据实际传输距离通过增加或者减小沿-x方向和+x方向的介质柱(13)进行构建。
9.根据权利要求2所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，上分束器边界(14)和下分束器边界(15)设置为理想电导体防止能量向空气中辐射；上分束器边界(14)和下分束器边界(15)分别与最靠近的介质柱(13)中心的距离为0.5a，称为波导宽度；
左分束器边界(16)和右分束器边界(17)设置为散射边界条件，左分束器边界(16)和右分束器边界(17)分别与最靠近的介质柱(13)中心的距离为0.5a。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种紧凑型微波拓扑分束器，其特征在于，对介质柱(13)沿+z或-z方向施加的磁场的大小为H0＝0.05～0.1T，T为磁场单位特斯拉。
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