CN114706236A - 一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导 - Google Patents

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CN114706236A CN202210390514.7A CN202210390514A CN114706236A CN 114706236 A CN114706236 A CN 114706236A CN 202210390514 A CN202210390514 A CN 202210390514A CN 114706236 A CN114706236 A CN 114706236A
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Abstract

本发明公开了一种正方‑六角复合晶格的拓扑单向边界波导，所述正方‑六角复合晶格包括介质柱和金属边界；所有介质柱置于空气背景下，由旋转正方晶格分别沿x、y方向周期排列构成正方‑六角形交错的正方‑六角复合晶格结构。共存在五种边界类型，分别是第一边界、第二边界、第三边界、第四边界和第五边界，每种边界与金属边界均可以形成单向波导，金属边界和最靠近金属边界的介质柱形成光波导传输通道，并且这五种边界所形成的波导均具有抗背向散射传输的拓扑特性。本发明设计了基于正方‑六角复合晶格结构五种不同边界类型的拓扑单向波导，丰富了构建单向输运光子拓扑态的几何和物理手段，对光通信领域的高效传输具有重大的意义。

Description

一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导
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，特别涉及一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导。
背景技术
近年来，基于光子晶体的波导受到广泛研究人员的青睐。光子晶体波导是利用线缺陷能导光的特性实现光波导器件。然而，由普通光子晶体形成的波导没有拓扑保护，本质上遭受着巨大的后向散射损失。相反地，拓扑边界态对输运路径上的缺陷引起的后向散射具有很强的鲁棒性，相关技术的发展已成为物理和光学的领先前沿之一。一个典型的例子是利用磁化旋磁光子晶体(GPC)中存在手性单向边界态构建拓扑单向波导。在这种情况下，单向边界波导具有拓扑保护特性，允许电磁波只沿一个方向传播，并禁止在任何类型的缺陷下的后向散射，极大地提高了传输效率。
近来，利用磁光光子晶体来产生单向传输、抗背向散射、免疫缺陷传输等性能优异的拓扑光子态，引起了科研人员的广泛关注。然而，到目前为止，绝大多数被充分研究的磁光光子晶体都是基于基本的正方形晶格[S.N.Zhuang,J.F.Chen,W.Y.Liang,and Z.Y.Li,Zero GVD slow-light originating from a strong coupling of one-way modes indouble-channel magneto-optical photonic crystal waveguide,Opt.Express 29(2),2478-2487(2021)；S.A.Mann and A.Alu,Broadband topological slow light throughBrillouin zone winding,Phys.Rev.Lett.127(12),123601(2021)；A.C.Tasolamprou,M.Kafesaki,C.M.Soukoulis,E.N.Economou,and T.Koschny,Chiral topologicalsurface on a finite square photonic crystal bounded by air,Phys.Rev.A 16(4),044011(2021)]、蜂窝状晶格[X.Y.Ao,Z.F.Lin,and C.T.Chan,One-way edge mode in amagneto-optical honeycomb photonic crystal,Phys.Rev.B 80(3),033105(2009)；J.F.Chen,W.Y.Liang,and Z.Y.Li,Antichiral one-way edge states in agyromagnetic photonic crystal,Phys.Rev.B 101(21),214102(2020)；P.H.Zhou,G.G.Liu,Y.H.Yang,Y.H.Hu,S.L.Ma,H.R.Xue,Q.Wang,L.J.Deng,and B.L.Zhang,Observation of photonic antichiral edge states,Phys.Rev.Lett.125(26),263603(2020)]和三角形晶格[Y.F.Gao,L.He,X.F.Xu,J.P.Sun,Z.Jiang,and W.F.Bai,Achievement of unidirectional air waveguide with extra-broad operationbandwidth in magneto-optical photonic crystals with a triangle lattice,J.Magn.Magn.Mater.496,165921(2020)；M.D.Wang,R.Y.Zhang,L.Zhang,D.Y.Wang,Q.H.Guo,Z.Q.Zhang,and C.T.Chan,“Topological One-Way Large-Area WaveguideStates in Magnetic Photonic Crystals,”Phys.Rev.Lett.126(6),067401(2021)]。然而上述材料受到晶格的简单几何形状的限制，这些磁光光子晶体结构只有相对较少的边缘类型，不利于建立一个多边缘类型的传输线路和研究实际复杂边界的波导传输。
发明内容
为了克服现有波导的缺点与不足，本发明的目的是在于提出一种基于正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，该结构存在五种不同类型的单向边界波导，丰富了构建单向输运光子拓扑态的几何和物理手段。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，所述正方-六角复合晶格结构包括介质柱和金属边界，所有介质柱置于空气背景下，由旋转正方晶格分别沿x、y方向周期排列构成正方-六角形交错的正方-六角复合晶格结构。
进一步地，所述正方-六角复合晶格结构存在五种边界类型，分别是第一边界、第二边界、第三边界、第四边界和第五边界，其中沿x方向包括三种锯齿形边界：第一边界、第二边界和第三边界；沿y方向包括两种扶手椅形边界：第四边界和第五边界。
其中，第一边界移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第二边界，第二边界继续移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第三边界；第四边界移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第五边界。
进一步地，沿介质柱的+z或-z方向施加直流磁场，在外加磁场的作用下，由介质柱组成的第一边界、第二边界、第三边界、第四边界和第五边界与金属边界均可以产生受拓扑保护的单向波导。
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。
进一步地，第一边界、第二边界、第三边界、第四边界、第五边界形成的拓扑单向波导的工作频率一致。
进一步地，旋转正方晶格沿x方向的周期常数为a；沿y方向的周期常数为
Figure BDA0003596740980000021
a为晶格常数。
进一步地，介质柱为圆形介质柱，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0.09a～0.11a，a为晶格常数。(当介质柱半径r为0.09a～0.11a可以获得较宽的工作频率范围，这是通过仿真得到的结果，并且在这个数据下所产生的边界态强，拓扑性好，具体数值可以调整。)若改变晶格常数a和介质柱的半径r，则所述拓扑单向边界波导对应的工作频率也会发生改变。
进一步地，金属边界到最靠近的一排介质柱的中心距离称为波导宽度，波导宽度为0.5a。
本发明设计了基于正方-六角复合晶格结构五种不同边界类型的拓扑单向波导，每种边界与金属边界均可以形成单向波导，并且这五种边界所形成的波导均具有抗背向散射传输的拓扑特性，丰富了构建单向输运光子拓扑态的几何和物理手段，对光通信领域的高效传输具有重大的意义。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)拓扑保护：与普通光子晶体相比，本发明的拓扑单向波导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：基于正方-六角复合晶格结构磁光光子晶体单向边界态的拓扑单向波导，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)局域性强：本发明的基于正方-六角复合晶格磁光光子晶体产生的拓扑边界态具有很强的局域性，使能量大部分聚集在边界处，防止能量泄漏到介质柱内部。
(4)多边界类型：本发明的正方-六角复合晶格的拓扑单向波导具有五种不同边界类型的拓扑单向波导。
(5)可调工作带宽：本发明的正方-六角复合晶格拓扑单向波导的工作频率范围为17.45～17.95(GHz)。
附图说明
图1为本发明所述的正方-六角复合晶格的拓扑单向波导的结构示意图。
图2为实施例1的由圆形介质柱形成的第一边界与金属边界构成的单向波导，其中，图2中的(a)为第一边界的投影能带图；图2中的(b)为(a)中落在能带带隙里2个点对应的本征场示意图；图2中的(c)为第一边界波导的场传输示意图；图2中的(d)为对应的实验测量透射谱示意图。
图3为实施例2的由圆形介质柱形成的第二边界与金属边界构成的单向波导，其中，图3中的(a)为第二边界的投影能带图；图3中的(b)为(a)中落在能带带隙里2个点对应的本征场示意图；图3中的(c)为第二边界波导的场传输示意图；图3中的(d)为对应的实验测量透射谱示意图。
图4为实施例3的由圆形介质柱形成的第三边界与金属边界构成的单向波导，其中，图4中的(a)为第三边界的投影能带图；图4中的(b)为(a)中落在能带带隙里2个点对应的本征场示意图；图4中的(c)为第三边界波导的场传输示意图；图4中的(d)为对应的实验测量透射谱示意图。
图5为实施例4的由圆形介质柱形成的第四边界与金属边界构成的单向波导，其中，图5中的(a)为第四边界的投影能带图；图5中的(b)为(a)中落在能带带隙里2个点对应的本征场示意图；图5中的(c)为第四边界波导的场传输示意图；图5中的(d)为对应的实验测量透射谱示意图。
图6为实施例5的由圆形介质柱形成的第五边界与金属边界构成的单向波导，其中，图6中的(a)为第五边界的投影能带图；图6中的(b)为(a)中落在能带带隙里2个点对应的本征场示意图；图6中的(c)为第五边界波导的场传输示意图；图6中的(d)为对应的实验测量透射谱示意图。
图7为本发明的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导验证其具有传输鲁棒性的结构数据图。
图8为实施例6的由圆形介质柱形成的第一边界与金属边界构成的单向波导，其中，图6中的(a)为第一边界的投影能带图；图6中的(b)为第一边界波导的场传输示意图。
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。
一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其结构示意图如图1所示，包括正方-六角复合晶格结构的圆形介质柱7和金属边界8构成，所有介质柱置于空气背景下，由旋转正方晶格6分别沿x、y方向周期排列构成正方-六角形交错的正方-六角形复合晶格结构，其中沿x方向的周期常数为a；沿y方向的周期常数为
Figure BDA0003596740980000041
a为晶格常数。
如图1所示，该正方-六角复合晶格结构存在五种边界类型，分别是第一边界1、第二边界2、第三边界3、第四边界4和第五边界5，其中沿x方向包括三种锯齿形边界：第一边界1、第二边界2和第三边界3；沿y方向包括两种扶手椅形边界：第四边界4和第五边界5。
其中，第一边界1移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第二边界2，第二边界2继续移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第三边界3，第四边界4移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第五边界5。
实施例1
将YIG圆柱形介质柱(介质柱的半径r取0.11a，晶格常数a为14mm，介质柱的半径r为1.5mm)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半径为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，磁场大小为0.08T。在外加磁场的作用下，由圆形介质柱组成的第一边界与金属边界产生受拓扑保护的单向波导，波导宽度大小为0.5a，晶格常数a为14mm，波导宽度为7mm。第一边界形成的拓扑单向波导的工作频率为17.45～17.95GHz。
图2为本实施例的第一边界与金属边界构成的单向波导。其中，图2的(a)是第一边界对应的投影能带图，在17.45～17.95GHz频率范围出现两条的色散曲线，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到这两条色散曲线在该频率范围内群速度方向相反，电磁场沿着两个平行边界向相反方向传输，即在第一边界支持的边界态表现出手性传输特性。图2的(b)是图2的(a)中落在带隙里的2个点(1、2)对应的本征场，可以看到，它们的电场都局域在边界上，因此都是边界态，并且由于本征态1和本征态2色散曲线的斜率分别为正值和负值，因此，本征态1将沿着下边界向右传输，而本征态2将沿着上边界向左传输。图2的(c)为场传输示意图，下边界设置为理想电导体以形成波导通道，其他边界设置为散射边界条件，在下边界设置一点激发源，仿真结果直观地展示了所述正方-六角复合晶格结构的第一边界可以激发出单向向右传输的边界态。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)的2个标记点(Port1、Port2)进行测量。图2的(d)为在第一边界的边界态传输的实验透射谱图，传输系数S21和S12表现出强烈的反差，波导传输只向右传输而抑制了向左传输，向左和向右传输的信号之间的信号非互易达到了30～35dB，展示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，实验结果与图2的(a)中的理论预测结果一致。
实施例2
将YIG圆柱形介质柱(介质柱的半径r取0.11a，晶格常数a为14mm，介质柱的半径r为1.5mm)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半径为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，磁场大小为0.08T。在外加磁场的作用下，由圆形介质柱组成的第二边界与金属边界产生受拓扑保护的单向波导，波导宽度大小为0.5a，晶格常数a为14mm，波导宽度为7mm。第二边界形成的拓扑单向波导的工作频率为17.45～17.95GHz。
图3为本实施例的第二边界与金属边界构成的单向波导。其中，图3(a)是第二边界对应的投影能带图，在17.45～17.95GHz频率范围出现两条的色散曲线，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到这两条色散曲线在该频率范围内群速度方向相反，电磁场沿着两个平行边界向相反方向传输，即在第二边界支持的边界态表现出手性传输特性。图3的(b)是图3的(a)中落在带隙里的2个点(1、2)对应的本征场，可以看到，它们的电场都局域在边界上，因此都是边界态，并且由于本征态1和本征态2色散曲线的斜率分别为正值和负值，因此，本征态1将沿着下边界向右传输，而本征态2将沿着上边界向左传输。图3的(c)为场传输示意图，下边界设置为理想电导体以形成波导通道，其他边界设置为散射边界条件，在下边界设置一点激发源，仿真结果直观地展示了所述正方-六角复合晶格结构的下第二边界可以激发出单向向右传输的边界态。图3的(d)为在第二边界的边界态传输的实验透射谱图，传输系数S21和S12表现出强烈的反差，波导传输只向右传输而抑制了向左传输，向左和向右传输的信号之间的信号非互易达到了30～35dB，表明了良好的单向传播特性，实验结果与图3的(a)中的理论预测结果一致。
实施例3
将YIG圆柱形介质柱(介质柱的半径r取0.11a，晶格常数a为14mm，介质柱的半径r为1.5mm)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半径为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，磁场大小为0.08T。在外加磁场的作用下，由圆形介质柱组成的第三边界与金属边界产生受拓扑保护的单向波导，波导宽度大小为0.5a，晶格常数a为14mm，波导宽度为7mm。第三边界形成的拓扑单向波导的工作频率为17.45～17.95GHz。
图4为本实施例的第三边界与金属边界构成的单向波导。其中，图4的(a)是第三边界对应的投影能带图，在17.45～17.95GHz频率范围出现两条的色散曲线，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到这两条色散曲线在该频率范围内群速度方向相反，电磁场沿着两个平行边界向相反方向传输，即在第三边界支持的边界态表现出手性传输特性。图4的(b)是图4的(a)中落在带隙里的2个点(1、2)对应的本征场，可以看到，它们的电场都局域在边界上，因此都是边界态，并且由于本征态1和本征态2色散曲线的斜率分别为正值和负值，因此，本征态1将沿着下边界向右传输，而本征态2将沿着上边界向左传输。图4的(c)为场传输示意图，下边界设置为理想电导体以形成波导通道，其他边界设置为散射边界条件，在下边界设置一点激发源，仿真结果直观地展示了所述正方-六角复合晶格结构的下第三边界可以激发出单向向右传输的边界态。图4的(d)为在第三边界的边界态传输的实验透射谱图，传输系数S21和S12表现出强烈的反差，波导传输只向右传输而抑制了向左传输，向左和向右传输的信号之间的信号非互易达到了26～32dB，表明了良好的单向传播特性，实验结果与图4的(a)中的理论预测结果一致。
实施例4
将YIG圆柱形介质柱(介质柱的半径r取0.11a，晶格常数a为14mm，介质柱的半径r为1.5mm)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半径为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，磁场大小为0.08T。在外加磁场的作用下，由圆形介质柱组成的第四边界与金属边界产生受拓扑保护的单向波导，波导宽度大小为0.5a，晶格常数a为14mm，波导宽度为7mm。第四边界形成的拓扑单向波导的工作频率为17.45～17.95GHz。
图5为本实施例的第四边界与金属边界构成的单向波导，图5的(a)是第四边界对应的投影能带图，在17.45～17.95GHz频率范围出现两条的色散曲线，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到这两条色散曲线在该频率范围内群速度方向相反，电磁场沿着两个平行边界向相反方向传输，即在第四边界支持的边界态表现出手性传输特性。图5的(b)是图5的(a)图中落在带隙里的2个点(1、2)对应的本征场，可以看到，它们的电场都局域在边界上，因此都是边界态，并且由于本征态1和本征态2色散曲线的斜率分别为正值和负值，因此，本征态1将沿着下边界向右传输，而本征态2将沿着上边界向左传输。图5的(c)为场传输示意图，下边界设置为理想电导体以形成波导通道，其他边界设置为散射边界条件，在下边界设置一点激发源，仿真结果直观地展示了所述正方-六角复合晶格结构的下第四边界可以激发出单向向右传输的边界态。图5的(d)为在第四边界的边界态传输的实验透射谱图，传输系数S21和S12表现出强烈的反差，波导传输只向右传输而抑制了向左传输，向左和向右传输的信号之间的信号非互易达到了30～35dB，表明了良好的单向传播特性，实验结果与图5的(a)中的理论预测结果一致。
实施例5
将YIG圆柱形介质柱(介质柱的半径r取0.11a，晶格常数a为14mm，介质柱的半径r为1.5mm)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半径为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，磁场大小为0.08T。在外加磁场的作用下，由圆形介质柱组成的第五边界与金属边界产生受拓扑保护的单向波导，波导宽度大小为0.5a，晶格常数a为14mm，波导宽度为7mm。第五边界形成的拓扑单向波导的工作频率为17.45～17.95GHz。
图6为本实施例的第五边界与金属边界构成的单向波导，图6的(a)是第五边界对应的投影能带图，在17.45～17.95GHz频率范围出现两条的色散曲线，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到这两条色散曲线在该频率范围内群速度方向相反，电磁场沿着两个平行边界向相反方向传输，即在第五边界支持的边界态表现出手性传输特性。图6的(b)是图6的(a)中落在带隙里的2个点(1、2)对应的本征场，可以看到，它们的电场都局域在边界上，因此都是边界态，并且由于本征态1和本征态2色散曲线的斜率分别为正值和负值，因此，本征态1将沿着下边界向右传输，而本征态2将沿着上边界向左传输。图6的(c)为场传输示意图，下边界设置为理想电导体以形成波导通道，其他边界设置为散射边界条件，在下边界设置一点激发源，仿真结果直观地展示了所述正方-六角复合晶格结构的下第五边界可以激发出单向向右传输的边界态。图6的(d)为在第五边界的边界态传输的实验透射谱图，传输系数S21和S12表现出强烈的反差，波导传输只向右传输而抑制了向左传输，向左和向右传输的信号之间的信号非互易达到了20～25dB，表明了较好的单向传播特性，实验结果与图6的(a)中的理论预测结果一致。
为了进一步验证所述五种边界产生的单向波导具有拓扑保护功能，在上述实施例1-5所得的图1的(c)、图2的(c)、图3的(c)、图4的(c)、图5的(c)、图6的(c)中的每个通道上插入金属棒(金属棒宽0.3a，高2a)，分别如图7的(a1)、图7的(b1)、图7的(c1)、图7的(d1)、图7的(e1)所示，其余特征均相同。观察到每个通道的电磁波能绕过该金属棒继续传输，并且传输能量几乎不受影响。验证所述五种边界产生的单向波导均具有抗缺陷传输的拓扑特性。图7的(a2)～(e2)分别对应图7的(a1)～(e1)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，证明金属障碍物没有对单向边界态的传输造成影响，说明了本发明的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导具有传输鲁棒性。
实施例6
介质柱的半径r取0.09a，晶格常数a为35.5mm，介质柱的半径r为3.2mm。在外加磁场的作用下，磁场大小为0.05T，第一边界与金属边界产生受拓扑保护的单向波导，波导宽度大小为0.5a，晶格常数a为35.5mm，波导宽度为17.75mm。第一边界形成的拓扑单向波导的工作频率为5.7～5.9GHz，对应的归一化频率为0.67-0.70(2πc/a)，式中(2πc/a)为单位，其中π为圆周率，c为光速，a为晶格常数。
图8为本实施例的第一边界与金属边界构成的单向波导，图8的(a)是第一边界对应的投影能带图，在0.67-0.70(2πc/a)频率范围出现两条的色散曲线，根据色散曲线斜率为群速度方向，得到这两条色散曲线在该频率范围内群速度方向相反，电磁场沿着两个平行边界向相反方向传输，即在第一边界支持的边界态表现出手性传输特性。图8的(b)为场传输示意图，下边界设置为理想电导体以形成波导通道，其他边界设置为散射边界条件，在下边界设置一点激发源，仿真结果直观地展示了所述正方-六角复合晶格结构的下第一边界可以激发出单向向右传输的边界态。
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)

1.一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，所述正方-六角复合晶格结构包括介质柱(7)和金属边界(8)；所有介质柱置于空气背景下，由旋转正方晶格(6)分别沿x、y方向周期排列构成正方-六角形交错的正方-六角复合晶格结构。
2.根据权利要求1所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，所述正方-六角复合晶格结构存在五种边界类型，分别是第一边界(1)、第二边界(2)、第三边界(3)、第四边界(4)和第五边界(5)，其中沿x方向包括三种锯齿形边界：第一边界(1)、第二边界(2)和第三边界(3)；沿y方向包括两种扶手椅形边界：第四边界(4)和第五边界(5)。
3.根据权利要求2所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，第一边界(1)移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第二边界(2)，第二边界(2)继续移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第三边界(3)；第四边界(4)移除最靠近金属边界的一排介质柱形成第五边界(5)。
4.根据权利要求1所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，沿介质柱(7)的+z或-z方向施加直流磁场，在外加磁场的作用下，由介质柱组成的第一边界(1)、第二边界(2)、第三边界(3)、第四边界(4)和第五边界(5)与金属边界产生受拓扑保护的单向波导。
5.根据权利要求4所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，对介质柱(7)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。
6.根据权利要求4所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，第一边界(1)、第二边界(2)、第三边界(3)、第四边界(4)和第五边界(5)形成的拓扑单向波导的工作频率一致。
7.根据权利要求1所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，所述旋转正方晶格(6)沿x方向的周期常数为a；沿y方向的周期常数为
Figure FDA0003596740970000011
a为晶格常数。
8.根据权利要求1所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，所述介质柱(7)为圆形介质柱，介质柱(7)采用的磁光材料包括钇铁石榴石铁氧体，介质柱(7)的半径r为0.09a～0.11a，a为晶格常数。
9.根据权利要求8所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，改变晶格常数a和介质柱的半径r，则所述拓扑单向边界波导对应的工作频率也会发生改变。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种正方-六角复合晶格的拓扑单向波导，其特征在于，金属边界(8)到最靠近的一排介质柱(7)的中心距离称为波导宽度，波导宽度为0.5a。
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