CN115566384A - 一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导 - Google Patents

一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导 Download PDF

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韩建飞
赵玉林
赵德双
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Abstract

本发明公开了一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，属于拓扑光子晶体技术领域。本发明所述电磁波导包括两个金属板、铁氧体圆柱和两个部分金属覆层的介质波导；均匀排布的铁氧体圆柱形成元胞阵列，分为第一光子晶体和第二光子晶体，分别施加大小相等、方向相反的磁场，在第一光子晶体和第二光子晶体的交界面处形成拓扑边界态。本发明通过引入附有部分金属的介质波导实现激励源与拓扑波导间的高效耦合，最终实现电磁信号沿拓扑波导低损耗、高效单向传输。本发明所述拓扑电磁波导对缺陷和杂质是免疫的，在新型拓扑电磁波导的设计和解决高效电磁信号传输问题上提供一种新的思路。

Description

一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导
技术领域
本发明属于拓扑光子晶体技术领域，具体涉及一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导。
背景技术
光子晶体(PhC)作为一种新型人工电磁材料，利用其能带特性可以控制电磁信号在体系中的传输，在光子学器件的设计中光子晶体扮演着重要的角色，具有极高的应用价值，如PhC 滤波器、PhC光纤、PhC隔离器、PhC环形器等新型光子器件。然而，传统PhC器件的设计受加工精度的局限，器件中的缺陷和杂质会引起电磁信号强烈的背向散射和损耗，从而严重影响了器件性能。随着现代科学与研究技术的不断进步，对PhC器件的性能指标等方面提出了更高的要求，这为PhC器件的设计提出了新的挑战。
最近，拓扑PhC的发现为解决这一难题提供了新的方案。近年来，由于拓扑PhC具有广阔的应用前景而引起了国内外研究者广泛的关注，拓扑PhC包含了各种新颖的物理性质和电磁现象，推动了该领域的研究与发展。拓扑PhC的拓扑相通常用拓扑不变量来区分，在拓扑系统中，拓扑不变量可以用陈数进行表征，当具有不同陈数的两种拓扑PhC形成交界面时，根据拓扑体边对应原理，会产生具有鲁棒性质的受拓扑保护的边界态，该边界态对结构缺陷和杂质具有免疫特性。截至目前，科学家们接连在光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光量子谷霍尔效应等PhC结构中发现了拓扑边界态的存在，使得拓扑PhC在拓扑电磁学和光子集成电路等领域取得了较多的成果，在未来有着广泛的应用前景。
目前对于拓扑边界态的研究，多数聚焦于鲁棒传输特性的应用与推广以及揭示新奇的物理现象。然而，在研究拓扑PhC的传输与应用时，通常它们需要连接到传统的导波结构(如微带线、共面波导、介质波导)。因此，非常有必要将传统波导支持的导波转换为高效率的拓扑 PhC波导支持的拓扑边界模式，然而目前对该领域的研究相对较少，亟待发展和完善。用点源作为激励源时，从源到拓扑边界态的耦合效率极低，损耗很大，导致在拓扑PhC体系中存在整体传输效率低的问题。通过分析可以看出：设计一款传输效率高、局域性强、单向性好的拓扑电磁波导显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其具有信号传输方向可切换、强鲁棒性、无背向散射、低损耗、高效传输等特点，用以解决电磁信号有效耦合及高效率单向传输问题。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，呈180°中心旋转对称结构，包括两个金属板、铁氧体圆柱和两个部分金属覆层的介质波导；
上金属板和下金属板平行设置；铁氧体圆柱与金属板垂直放置，两端分别与上金属板和下金属板连接；铁氧体圆柱在上金属板和下金属板之间呈M×2N等间距均匀排布，位于四周的铁氧体圆柱边缘与金属板边缘相切，M和N为正整数，M＞2N；
部分金属覆层的介质波导与金属板长边平行，分别由金属板短边中心位置的外侧向金属板内部延伸，包括依次连接的矩形介质块和梯形介质块；矩形介质块和梯形介质块的厚度相同，且与两个金属板之间的间距相等；矩形介质块跨越金属板短边，梯形介质块位于两金属板内部；梯形介质块的梯形下底边与矩形介质块的矩形短边重合，矩形介质块的矩形长边分别与相邻的两个铁氧体圆柱相切；矩形介质块与两个金属板连接的平面覆有金属层，沿矩形介质块的两个矩形长边向梯形介质块方向延伸有金属薄板；
每两两相邻的四个铁氧体圆柱构成一个原胞，两个部分金属覆层的介质波导连接线两侧分别形成两组(M-1)×(N-1)紧密贴合排布的原胞阵列，分别作为第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2；对第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2施加的磁场大小相等，方向相反。
进一步的，第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2中每个铁氧体圆柱的半径相等，铁氧体材料选用钇铁石榴石型(YIG)材料。
进一步的，矩形介质块和梯形介质块选用F4B材料。
进一步的，矩形介质块及对应的金属层形成矩形波导，矩形波导采用同轴馈电。
进一步的，两个矩形波导分别作为输入端口和输出端口，都具有50Ω阻抗。
进一步的，施加的磁场大小为H＝850Oe，光子晶体的晶格常数即相邻铁氧体圆柱之间的间距a＝13mm，铁氧体圆柱的直径为2r＝4mm；铁氧体材料饱和磁化强度为1850Gs，谐振线宽为15Oe，相对介电常数为14，正切损耗为0.0002。
进一步的，对第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2施加的磁场方向分别为垂直于金属板向下和向上；左侧部分金属覆层的介质波导作为输入端口，右侧部分金属覆层的介质波导作为输出端口；当电磁信号从输入端口输入时，电磁信号能够绕过障碍物和缺陷向输出端口传输，反之，当电磁信号从输出端口输入时，电磁信号不能传输到输入端口；
切换第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2施加的偏置磁场的方向，右侧部分金属覆层的介质波导作为输入端口，左侧部分金属覆层的介质波导作为输出端口；当电磁信号从输入端口输入时，电磁信号能够绕过障碍物和缺陷传输到输出端口，反之，当电磁信号从输出端口输入时，电磁信号不能传输到输入端口。
进一步的，通过调控施加磁场的方向，能够实现本发明所述电磁波导的非互易传输与隔离特性。
本发明根据PhC波导模式的极化特性结合传统导波模式，提供了一种基于拓扑手性态的高效电磁波导。本发明所述电磁波导中的介质波导适用于微波频段的、具有50Ω特征阻抗，其锥形结构作为导波转换为拓扑边界态的平滑过渡段，以匹配介质波导和拓扑波导的模式和阻抗。通过端对接耦合可以方便地实现电磁信号从导波模式到拓扑边界模式的有效转换，实现高效耦合及传输的拓扑电磁波导，S参数和近场分布的数值模拟显示出所提结构具有较高的传输效率。这种受拓扑保护的电磁波导具有良好的鲁棒性，其边界态非常稳定，传输特性不受缺陷或障碍物的影响，对制备误差有较高的容忍度，可以显著降低传输损耗。因此，本发明为研制高耦合效率、高效传输、低损耗的拓扑单向电磁波导开辟了一条新途径。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述电磁波到结构设计新颖，金属板、铁氧体和介质波导之间形成牢固的稳定结构，铁氧体材料制备技术成熟，易于制作；确保拓扑波导结构具有高效率和高隔离、低损耗、可靠的机械和电磁性能等特点。
(2)由于电磁信号在两种不同光子晶体的界面上传播，本发明所述拓扑电磁波导对电磁信号的局域性较好，可减少电磁信号散射到光子晶体内部，提高波导的传输效率；背向散射受到了强烈的抑制，可实现鲁棒性好的单向传输。
(3)在通信系统中，本发明所述拓扑电磁波导实现了电磁信号的非互易传输与定向隔离特性，在保护信号源、调控信号的定向传输以及探索拓扑电磁学新奇的物理现象等方面有着极大的应用前景。
附图说明
图1为实施例所述高效电磁波导的内部结构示意图；
图2为实施例所述高效电磁波导的投影能带结构示意图；
图3为实施例所述高效电磁波导在频率13.5GHz处，电磁信号分别从端口port1和端口 port2进入拓扑电磁波导时的电场强度分布和S参数曲线图；
图4为实施例所述高效电磁波导中存在金属挡板(障碍物)时，在频率13.5GHz处，电磁信号从端口port1入射时的电场分布图和S参量曲线图；
图5为实施例所述高效电磁波导中存在金属柱(缺陷)时，在频率13.5GHz处，电磁信号从端口port1入射时的电场分布图和S参量曲线图；
图6为实施例所述高效电磁波导中电磁信号从端口port1入射时，三种不同情况下的S 参数曲线对比图，三种不同情况分别为无扰动的拓扑电磁波导(常规)、存在金属挡板的拓扑电磁波导(障碍物)和存在金属柱的拓扑电磁波导(缺陷)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，如图1所示，呈180°中心旋转对称结构，包括两个金属板、铁氧体圆柱和两个部分金属覆层的介质波导。
上金属板(为清晰展示内部结构，图1中未画出)和下金属板平行设置；铁氧体圆柱与金属板垂直放置，两端分别与上金属板和下金属板连接；铁氧体圆柱在上金属板和下金属板之间呈M×2N等间距均匀排布，位于四周的铁氧体圆柱边缘与金属板边缘相切，M和N为正整数，M＞2N。
部分金属覆层的介质波导与金属板长边平行，分别由金属板短边中心位置的外侧向金属板内部延伸，包括依次连接的矩形介质块和梯形介质块；矩形介质块和梯形介质块的厚度相同，且与两个金属板之间的间距相等；矩形介质块跨越金属板短边，梯形介质块位于两金属板内部；梯形介质块的梯形下底边与矩形介质块的矩形短边重合，矩形介质块的矩形长边分别与相邻的两个铁氧体圆柱相切；矩形介质块与两个金属板连接的平面覆有金属层，沿矩形介质块的两个矩形长边向梯形介质块方向延伸有金属薄板。
每两两相邻的四个铁氧体圆柱构成一个原胞，两个部分金属覆层的介质波导连接线两侧分别形成两组(M-1)×(N-1)紧密贴合排布的原胞阵列，分别作为第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2。
对第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2施加的磁场大小相等、方向相反。
第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2中每个铁氧体圆柱的半径相等，铁氧体材料选用钇铁石榴石型(YIG)材料。铁氧体圆柱加工工艺方便、容易制作。
矩形介质块和梯形介质块选用F4B材料。
介质波导采用同轴馈电。
两个部分金属覆层的介质波导分别作为输入端口和输出端口，都具有50Ω阻抗，作为导波转换为拓扑边界态的平滑过渡段，以匹配介质波导和拓扑波导的模式和阻抗。部分金属覆层的介质波导的一侧提供传统导波模式，介质波导渐变部分能够将传统导波模式平滑地过渡到拓扑波导的边界态模式，实现了从传统导波模式到拓扑模式的高效转化，具有低损耗、高效传输等特点。
本实施例中，介质波导结构尺寸为W＝9mm，W1＝0.5mm，Lo＝39mm，L＝65mm，L1＝8mm，具有宽带特性。通过端对接耦合可以高效地将电磁信号从导波模式转换为拓扑边界模式，实现电磁波高效传输。
以铁氧体圆柱阵列中心为原点，金属板所在平面为xoy面，x轴和y轴分别与金属板的长边和短边平行。将第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2对称地放置在y＝0界面的两侧，对每一侧的PhC施加不同方向的磁场，用以提供具有同向传播的拓扑手性电磁模式，两侧电磁模式的旋向相反；每一侧PhC提供的边界态在两者界面构成的通道内传输以增强传输通道的稳健性，电磁能量能够很好地局域在通道内进行传输。
对第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2施加大小相等、方向相反的磁场，打破时间反演对称性，根据体边对应原理，y＝0界面处会存在拓扑边界态，本实施例中磁场大小为H＝850 Oe，铁氧体圆柱按四方晶格点阵排列，晶格常数即相邻铁氧体圆柱之间的间距a＝13mm，圆柱的直径为2r＝4mm；铁氧体材料饱和磁化强度为1850Gs，谐振线宽为15Oe，相对介电常数为14，正切损耗为0.0002。利用传统导波模式与拓扑手性边界态的耦合效应，来实现具有拓扑特性的高效率单向传输与反向高隔离。
第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2在同一频率范围内支持相同传播方向的拓扑边界模式，当电磁信号从左端口输入时，电磁能量从右端口输出；然而，当电磁信号从右端口输入时，通道内电磁能量的传输会被禁止，实现电磁波的非互易传输与定向隔离。可以通过调控磁场的方向，来实现不同方向上的非互易传输与隔离特性。
本实施例所述拓扑高效电磁波导具有缺陷免疫特性，不受缺陷及不连续性结构的影响。如图1所示，对PhC1和PhC2施加的磁场方向分别为垂直于金属板向下和向上；在同一频率范围内，当电磁信号从port1端口(左端口)输入时，若波导中存在障碍物或缺陷，拓扑波导中的手性边界态能够绕过障碍物(金属挡板)和缺陷(金属柱缺失)继续向前稳健传输。在引入扰动和常规情况下，具有相同的高效率传输和无背向散射特性，从port1端口(左端口)输入无扰动(常规)、加金属挡板(障碍物)和金属柱(缺陷)三种情况下传输效率和回波损耗几乎是一致的。即当电磁信号从拓扑电磁波导的左侧端口输入时，电磁信号能够稳健的传输到右端口；由于拓扑手性边界态的单向性，当电磁信号从拓扑电磁波导的port2端口(右侧端口)输入时，电磁信号不能传输到port1端口(左端口)，实现了电磁信号单向传输与隔离特性。当切换PhC1和PhC2所施加的偏置磁场的方向时，当电磁信号从拓扑电磁波导的port2端口(右侧端口)输入时，电磁信号能够稳健的传输到port1端口(左端口)；由于拓扑手性边界态的单向性，当电磁信号从拓扑电磁波导的port1端口(左端口)输入时，电磁信号不能传输到 port2端口(右侧端口)。因此，该电磁波导具有拓扑保护的高效率单向传输与反向隔离的特性。
图2为实施例所述高效电磁波导的投影能带结构示意图。以PhC1和PhC2的边界为基准，上下各取10个原胞，将这两种PhC放在一起，用超胞的计算方法计算两种PhC沿界面方向的投影能带来确定边界态。阴影区域标记了带隙范围一拓扑手性边界态的频率范围，由两条圆形点线表示。为了更形象地表征拓扑手性边界态，右图分别展示了两种拓扑手性边界态的电场分布，在y＝0的界面一个是偶模式(Even mode)，一个是奇模式(Odd mode)。右1给出了频率为13.8GHz且波矢为0.8(π/a)的本征模态，右2给出了频率为13.6GHz且波矢为0.6(π/a) 的本征模态，其中黑色虚线是镜面；可以通过极化源选择性地激发边界中的偶或奇波导模式，在本实例中，选择性激发偶波导模式。从图中可看出，偶(或奇)波导模式仅存在kx＜0(kx＞0) 的波矢范围内其表面仅支持单向手性边界态；当外加磁场的方向改变时，具有相反方向的单向边界态。
为了直观地说明电磁信号的传输特性，用商业软件CST微波工作室数值模拟本实施例所述拓扑电磁波导的S参数曲线和电磁信号沿不同端口输入时Ez的场强分布，图3至图6所示更加清晰地展示其工作原理，其中箭头表示电磁信号输入和输出的方向。介质波导的两个终端构成两个端口port1和port2。拓扑手性边界态的传播方向与外加磁场的偏置方向有关。当电磁波分别从port1或port2输入时，其传播情况分别展示在图4至图6中。
图3显示了电磁波分别从port1和port2输入时S参量曲线的变化情况，从图中可以看出在同一频率13.5GHz处，两种情况具有超高的隔离比和相反的传输特性。当电磁信号从port1 输入时，来自于介质波导的锥形渐变能够很好的将导波模式过渡到拓扑手性边界态，几乎所有电磁信号能够很好地沿着界面处传输至port2；从S参量曲线中可以看出，回波损耗大于 15dB，插入损耗小于2dB；当电磁信号从port2输入时，电磁信号被散射到PhC内部被耗散，没有电磁信号传输至port2，从S参量曲线图中可以看到，回波损耗大于15dB，插入损耗小于45dB；两者的回波损耗几乎相同，具有无背向散射特点。这表明拓扑电磁波导具有低插损、高效率单向传输和反向隔离的优异特性。
拓扑电磁波导最大的特征是对扰动及其缺陷的免疫性。为了验证所提出的高效拓扑电磁波导对结构缺陷的免疫性，我们引入两种不同的结构缺陷，一种是在波导中引入金属挡板(障碍物)，另一种则是引入金属柱(缺陷)，如图4和图5所示，分别是当电磁信号从port1输入时，在13.8GHz处的电场分布和S参数曲线。波导中传输的手性边界态能够很好地绕过金属挡板(障碍物)和金属柱(缺陷)继续向前传输，从S参数曲线可以看出，两种情况下的传输效率和回波损耗与图2中无扰动的相比并没有发生显著的改变，因此从port1输入的电磁信号，拓扑电磁波导上的绝大部分电磁信号都能够传输至port2与图2情况类似，当电磁信号从port2 输入时，由于手性边界态不支持反向传输，故拓扑电磁波导中没有电磁信号传输至port1输出。即使存在扰动也能够实现高效的拓扑单向电磁波导。
为了更加清晰的展示三种不同情况下的传输性能，图6显示了在无扰动(常规)、金属挡板(障碍物)和金属柱(缺陷)下电磁波从port1输入时S参量曲线的变化情况，从S参数曲线可看出，在同一频率范围内，电磁波具有相同传输特性，三种情况下传输效率和回波损耗几乎是一致；可见，高效电磁波导具有很强的鲁棒性，具有拓扑保护的高效单向传输与反向隔离的特性。当切换两区域PhC所施加的偏置磁场的方向时，电磁波的单向传输与反向隔离特性正好与上述情况相反。
本实施例所述基于拓扑手性边界态的高效电磁波波导，利用附有部分金属的介质(F4B) 波导，来实现传输模式的耦合与高效转换，该波导具有传输效率高和宽带等特性。拓扑手性边界态能够在两种PhC的边界上实现高效传输，这种高效拓扑电磁波导的优异性能在毫米波、太赫兹波、光学频段有着重要的应用前景，包括容错慢光系统、隔离器、高Q通道非互易上 /下路滤波器和非互易全通滤波器。有利于设计高效传输的拓扑电磁器件，在很大程度上避免了由加工缺陷带给器件性能的影响。通过实施例验证，在不同的扰动下，当电磁波从不同端口输入时，展示出良好的单向传输与隔离特性，说明了所提出的高效拓扑电磁波导结构具备无背向散射、强鲁棒性、传输方向可切换、传输效率和隔离度高、损耗小等特点。
以上所述是本发明的较佳实施，并不用限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内，所做的修改和改进都在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其特征在于，呈180°中心旋转对称结构，包括两个金属板、铁氧体圆柱和两个部分金属覆层的介质波导；
上金属板和下金属板平行设置；铁氧体圆柱与金属板垂直放置，两端分别与上金属板和下金属板连接；铁氧体圆柱在上金属板和下金属板之间呈M×2N等间距均匀排布，位于四周的铁氧体圆柱边缘与金属板边缘相切，M和N为正整数，M＞2N；
部分金属覆层的介质波导与金属板长边平行，分别由金属板短边中心位置的外侧向金属板内部延伸，包括依次连接的矩形介质块和梯形介质块；矩形介质块和梯形介质块的厚度相同，且与两个金属板之间的间距相等；矩形介质块跨越金属板短边，梯形介质块位于两金属板内部；梯形介质块的梯形下底边与矩形介质块的矩形短边重合，矩形介质块的矩形长边分别与相邻的两个铁氧体圆柱相切；矩形介质块与两个金属板连接的平面覆有金属层，沿矩形介质块的两个矩形长边向梯形介质块方向延伸有金属薄板；
每两两相邻的四个铁氧体圆柱构成一个原胞，两个部分金属覆层的介质波导连接线两侧分别形成两组(M-1)×(N-1)紧密贴合排布的原胞阵列，分别作为第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2；对第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2施加的磁场大小相等，方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其特征在于，第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2中每个铁氧体圆柱的半径相等，铁氧体材料选用钇铁石榴石型材料。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其特征在于，矩形介质块和梯形介质块选用F4B材料。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其特征在于，矩形介质块及对应的金属层形成矩形波导，矩形波导采用同轴馈电。
5.根据权利要求4所述的基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其特征在于，两个矩形波导分别作为输入端口和输出端口，都具有50Ω阻抗。
6.根据权利要求1所述的基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其特征在于，施加的磁场大小为H＝850Oe，光子晶体的晶格常数即相邻铁氧体圆柱之间的间距a＝13mm，铁氧体圆柱的直径为2r＝4mm；铁氧体材料饱和磁化强度为1850Gs，谐振线宽为15Oe，相对介电常数为14，正切损耗为0.0002。
7.根据权利要求1所述的基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其特征在于，对第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2施加的磁场方向分别为垂直于金属板向下和向上；左侧部分金属覆层的介质波导作为输入端口，右侧部分金属覆层的介质波导作为输出端口；当电磁信号从输入端口输入时，电磁信号能够绕过障碍物和缺陷向输出端口传输，反之，当电磁信号从输出端口输入时，电磁信号不能传输到输入端口；
切换第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2施加的偏置磁场的方向，右侧部分金属覆层的介质波导作为输入端口，左侧部分金属覆层的介质波导作为输出端口；当电磁信号从输入端口输入时，电磁信号能够绕过障碍物和缺陷传输到输出端口，反之，当电磁信号从输出端口输入时，电磁信号不能传输到输入端口。
8.根据权利要求1所述的基于拓扑手性边界态的高效电磁波导，其特征在于，通过调控施加磁场的方向，能够实现电磁波导的非互易传输与隔离特性。
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