CN116247405B - 一种基于拓扑谷边界态的高效电磁波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拓扑谷边界态的高效电磁波导，属于拓扑光子晶体技术领域。本发明所述高效电磁波导包括上金属薄膜层、下金属层和介质基板，上层金属薄膜层位于介质基板的上表面；上金属薄膜层沿x方向包括依次连接的第一渐变过渡段、基片集成拓扑波导段和第二渐变过渡段；下金属层满覆介质基板的下表面。本发明所述高效电磁波导为基片集成拓扑波导结构，无孔或柱结构，与标准基片集成波导电路完美兼容；通过引入带有锥形渐变部分的微带传输线和三角形过渡结构实现传统导波与拓扑边界波之间的高效耦合与转换，最终实现电磁信号沿波导系统低损耗、高效传输。
Description
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谷边界态的高效电磁波导。
背景技术
拓扑光子学是研究光子的拓扑物理，最近受到了广泛关注。拓扑光子学的研究表明，拓扑光子系统中出现了各种边界或表面态及其独特的现象，包括手性或螺旋边界态的传播、赝自旋动量锁定、拓扑保护折射和费米弧表面态。由于拓扑边界态对缺陷、无序和弯折界面具有对后向散射的免疫性和鲁棒性。因此，有关拓扑光子学的研究已经揭示了各种具有前景的应用，例如背向散射免疫的波导、鲁棒性延迟线、拓扑交叉通道和拓扑激光器。
最近的研究揭示了一类拓扑边界态，它们出现在具有相反谷Chern数的区域之间的界面上，也称为拓扑谷边界态。拓扑谷边界态已被证明存在于Z字形界面、扶手椅界面以及锯齿形界面和扶手椅界面的任何组合。因此，谷传输在光子学中也有许多潜在的应用，特别是最近报道的基于谷边界态的基片集成拓扑波导。与之前的拓扑谷光子晶体(PhC)波导相比，基片集成拓扑波导结构显示出与平面电路工艺完美兼容。因此，基片集成拓扑波导的提出为在平面集成光子电路中自由操纵拓扑边界态开辟了一条新的途径。然而，目前关于基片集成拓扑波导的研究中需要设计金属通孔或金属柱体结构来束缚电磁波；在制作时，由于金属孔或金属柱的存在，当其尺寸较小时精度难以保证，导致机械加工难度上升，并会增加制作成本。而且在某些平面电路应用中，对结构的要求并不适合进行打孔处理；特别是在一些多层结构的应用中，对金属孔的精度、位置都要求较高，并会对器件性能产生影响。可以看出，这在很大程度上限制了上述应用。因此，设计易于制造、低成本和介质中无金属孔的基片集成拓扑波导结构至关重要。
此外，在我们所知的情况下，目前对于基片集成谷拓扑边界态的研究，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特性，缺少对信号从激励源到拓扑波导的耦合效率的关注，导致源端到接收端的系统传输效率并不高。实际上，在研究谷拓扑边界态的传输时，通常用点源作为激励源时，从源到拓扑边界态的耦合效率极低，波的扩散损耗很大，导致在拓扑PhC体系中存在整体传输效率低的问题。因此，非常有必要解决如何将传统波导(如微带线、共面波导、介质波导等)支持的导波高效地转换为拓扑电磁波导支持的拓扑边界态的问题。针对上述所存在的问题，据我们所知，目前对该领域的研究相对较少，亟待发展和完善。因此设计一款从源端到接收端的系统传输效率高、易于制造的基片集成拓扑波导显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于拓扑谷边界态的高效电磁波导。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于拓扑谷边界态的高效电磁波导，位于xoy平面，关于y轴对称，包括上金属薄膜层、下金属层和介质基板，上层金属薄膜层位于介质基板的上表面；
上金属薄膜层沿x方向包括依次连接的第一渐变过渡段、基片集成拓扑波导段和第二渐变过渡段；下金属层满覆介质基板的下表面；
第一渐变过渡段与第二渐变过渡段的结构相同，关于x轴对称；第一渐变过渡段包括由左至右依次连接的微带线枝节、锥形渐变微带线和三角形过渡段微带线；微带线枝节的左端延伸至介质基板的左边沿，锥形渐变微带线由微带线枝节的右端延伸至基片集成拓扑波导段的左边沿；三角形过渡段微带线由基片集成拓扑波导段的左边沿向中心位置延伸；三角形过渡段微带线左端的线宽小于锥形渐变微带线右端的线宽；
基片集成拓扑波导段中y轴正方向的区域为A区域，y轴负方向的区域为B区域；A区域和B区域分别由若干个原胞按照三角晶格阵列排布构成，A区域和B区域的晶格常数相同；原胞内刻蚀有三个Y型气孔图案，三个Y型气孔图案在原胞中心位置处互相连接；A区域中所有原胞构成第一光子晶体PhC1，B区域中所有原胞构成第二光子晶体PhC2；令y轴正方向的原胞与x轴正方向之间的夹角为0°，则y轴负方向的原胞与x轴正方向之间的夹角为180°，即A区域和B区域的原胞呈180°中心旋转对称且错位排布。
进一步的，拓扑波导通道位于下金属层、上金属薄膜层、A区域和B区域构成的畴壁之间。
进一步的，A区域和B区域中，基片集成拓扑波导段的沿x轴的长度大于波导波长，沿y轴的宽度大于三倍晶格常数。
进一步的，晶格常数a＝13mm，Y型气孔图案中枝节的长度为l＝2.8mm，宽度为w＝1mm；介质基板的厚度为t＝1mm；微带线枝节的线宽W0＝2.7mm，锥形渐变微带线沿x轴的长度L0＝13.5mm，锥形渐变微带线与基片集成拓扑波导段相交位置的线宽W2＝14.7mm；三角形过渡段微带线沿x轴的长度L1＝35mm，三角形过渡段微带线与基片集成拓扑波导段相交位置的线宽b＝5.6mm。
进一步的，通过改变Y型气孔图案在原胞中的相对位置，破坏动量空间中的C3v对称性，使光子晶体的对称性从C3v降低到C3，打开了原本在K和K'谷处的一对简并Dirac点，谷光子晶体的能带结构中出现了光子带隙。
进一步的，第一渐变过渡段和第二渐变过渡段具有50Ω阻抗特性，用于匹配现有波导和基片集成拓扑波导段的阻抗，三角形过渡段能够将现有的导波模式平滑地过渡到基片集成拓扑波导段中的边界态，实现了从现有的导波模式到拓扑边界模式的高效转化；利用现有的导波模式与拓扑谷边界态的耦合效应，来实现拓扑边界态的高效率传输。
进一步的，第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2对称地放置在y＝0界面的两侧构成AB型畴壁，转换第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2的位置则构成BA型畴壁，AB型畴壁和BA型畴壁在K谷和K′谷处的拓扑模式具有相反的能流方向，因此AB型畴壁和BA型畴壁谷边界态都能够束缚在拓扑波导通道内传输。
本发明的有益效果是：
本发明所述电磁波到结构设计新颖，无孔或柱结构，与标准印刷电路板(PCB)技术兼容、可以方便地与馈电网络以及平面电路相结合、易于制作、轻重量和低成本、确保拓扑波导结构具有高效率、低损耗、可靠的机械和电磁性能等特点；
本发明所述电磁波导中，由于电磁信号在两种不同光子晶体的界面上传播，对电磁信号的束缚性较好，可减少电磁信号扩散到光子晶体内部，控制损耗，提高波导的传输效率；不存在谷间散射，对于无序和弯折等扰动，可实现鲁棒性好的高效传输；
在通信系统中，本发明所述波导可与多种无源和有源器件集成到一个平台，实现了电磁信号高效耦合到谷拓扑波导中，也能从谷拓扑波导中有效地提取信号，对促进抗散射谷拓扑波导的实际应用有重要意义。
附图说明
图1为本发明所述高效电磁波导的结构示意图；
图2为实施例所述高效电磁波导中A区域的第一光子晶体PhC1和B区域的第二光子晶体PhC2组成的两个畴壁及其投影能带示意图；
图3为实施例所述高效电磁波导在频率6.5GHz处高效电磁波导的能流、电场强度分布示意图和S参数图；其中(a)为当电磁信号从端口1输入时，高效电磁波导的能流分布示意图；(b)为电磁信号从端口1输入时，高效电磁波导的电场强度分布图；(c)为电磁信号从端口1输入时，高效电磁波导的S参数曲线图；
图4为实施例所述高效电磁波导中谷边界态在无序和弯折界面中的电场强度分布和传输曲线图。其中(a)为在拓扑波导的界面附近随机选择和替换A、B类型的结构单元引入无序(缺陷)的结构示意图；(b)为在拓扑波导的界面转变为具有60°转角的Z字形通道(弯折)的结构示意图；(c)为当电磁信号从端口1输入时，通过无序界面及其电场强度分布示意图；(d)为当电磁信号从端口1输入时，通过弯折界面及其电场强度分布示意图；(e)为三种不同情况下的传输曲线对比图，三种情况分别为无扰动的拓扑电磁波导(直通)、存在弯折界面的拓扑电磁波导(弯曲)和存在无序界面(缺陷)的拓扑电磁波导。
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谷边界态的高效电磁波导，位于xoy平面，关于y轴对称，其结构示意图如图1所示，包括上金属薄膜层、下金属层和介质基板，上层金属薄膜层位于介质基板的上表面，下金属层满覆介质基板的下表面；
上金属薄膜层沿x方向包括依次连接的第一渐变过渡段、基片集成拓扑波导段和第二渐变过渡段；
第一渐变过渡段与第二渐变过渡段的结构相同，关于x轴对称；第一渐变过渡段包括由左至右依次连接的微带线枝节、锥形渐变微带线和三角形过渡段微带线；微带线枝节的左端延伸至介质基板的左边沿，锥形渐变微带线由微带线枝节的右端延伸至基片集成拓扑波导段的左边沿；三角形过渡段微带线由基片集成拓扑波导段的左边沿向中心位置延伸；三角形过渡段微带线左端的线宽小于锥形渐变微带线右端的线宽；
基片集成拓扑波导段中y轴正方向的区域为A区域，y轴负方向的区域为B区域；A区域和B区域分别由若干个原胞按照三角晶格阵列排布构成，A区域和B区域的晶格常数相同；原胞内刻蚀有三个Y型气孔图案，三个Y型气孔图案在原胞中心位置处互相连接；A区域中所有原胞构成第一光子晶体PhC1，B区域中所有原胞构成第二光子晶体PhC2；令y轴正方向的原胞与x轴正方向之间的夹角为0°，则y轴负方向的原胞与x轴正方向之间的夹角为180°，即A区域和B区域的原胞呈180°中心旋转对称且错位排布；
拓扑波导通道位于下金属层、上金属薄膜层、A区域和B区域构成的畴壁之间。
A区域和B区域中，基片集成拓扑波导段的沿x轴的长度大于波导波长，沿y轴的宽度大于三倍晶格常数。
本实施例中，晶格常数a＝13mm，Y型气孔图案中枝节的长度为l＝2.8mm，宽度为w＝1mm；介质基板的厚度为t＝1mm；微带线枝节的线宽W0＝2.7mm，锥形渐变微带线沿x轴的长度L0＝13.5mm，锥形渐变微带线与基片集成拓扑波导段相交位置的线宽W2＝14.7mm；三角形过渡段微带线沿x轴的长度L1＝35mm，三角形过渡段微带线与基片集成拓扑波导段相交位置的线宽b＝5.6mm。
图1中，区域III为传输谷边界态的拓扑波导通道。根据体边对应原理可知，谷边界态应出现在具有拓扑非平庸性质的两个域之间的界面处，带隙的谷拓扑性质由其下方能带的谷Chern数之和决定。因此，上层域中复制图案A，下层域中复制图案B，构建一个AB型畴壁。由于场在体中快速衰减，在A、B中各取的3个原胞足以体现光子禁带特性。区域I和区域II为馈电和过渡结构，位于拓扑波导结构的起始端。区域I为接有特性阻抗为50欧姆的微带线馈电，并用锥形渐变结构和区域II中的三角形过渡结构实现微带线和拓扑波导模式的衔接和转换。整个波导结构可采用PCB印刷技术和激光切割等技术制作，加工工艺方便、容易制作，满足阻抗匹配的条件，具有高效率传输的特点。
图2为本实施例中A区域的第一光子晶体PhC1和B区域的第二光子晶体PhC2组成的两个畴壁及其投影能带示意图。以A和B域的边界为基准，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谷边界态。能带图中的阴影区域为体态，虚线和实线分别表示AB型和BA型畴壁传输谷边界态的能带结构。左(AB-type)、右(BA-type)面板分别展示了在K点处具有两种不同界面的超胞示意图和能流(箭头表示方向)，场集中在畴壁中，并向A和B域中衰减。在边界态的色散关系中，可以看出在带隙内位于K和K′谷处的拓扑边界态的群速度正好相反，位于同一K谷处不同类型畴壁的谷边界态的群速度也相反，表现出谷手性特性。
通过改变Y型气孔图案在原胞中的相对位置，破坏动量空间中的C3v对称性，使光子晶体的对称性从C3v降低到C3。因此，打开了原本在K和K'谷处的一对简并Dirac点，谷光子晶体的能带结构中出现了光子带隙。
第一渐变过渡段和第二渐变过渡段具有50Ω阻抗特性，以匹配传统波导和拓扑波导的阻抗，三角形过渡段能够将传统的导波模式平滑地过渡到拓扑波导中的边界态，实现了从传统的导波模式到拓扑边界模式的高效转化；利用传统的导波模式与拓扑谷边界态的耦合效应，来实现拓扑边界态的高效率传输。
此外，在相同的频段范围内，当拓扑波导界面存在无序和弯折时，拓扑谷边界态能够平滑地通过缺陷和弯折界面继续向前传输。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。因此，面对扰动和非扰动的拓扑波导界面都具有低回波损耗、高效传输的特点。
第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2对称地放置在y＝0界面的两侧构成AB型畴壁，转换第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2的位置则构成BA型畴壁。通过能带来分析带隙范围内边界态的性质，拓扑谷边界态在畴壁区域内稳健的传播；通过分析畴壁区域的能流发现K谷和K′谷处的拓扑模式具有相反的能流方向；无论是AB型还是BA型畴壁谷边界态能够很好地束缚在通道内稳健传输。
用商业电磁仿真软件CST微波工作室数值模拟了本实施例所述电磁波到的S参数曲线和电磁信号沿不同端口输入时Ez的场强分布，带有锥形过渡部分的微带结构的两个终端构成两个端口port1和port2，重点研究AB型畴壁在K谷处(6.2GHz)拓扑边界态的传播。
图3为本实施例在频率6.5GHz处高效电磁波导的能流、电场强度分布示意图和S参数图。图3(a)展示了当电磁信号从端口1输入时，高效电磁波导的能流分布示意图。图3(b)展示了电磁信号从端口1输入时，高效电磁波导的电场强度分布图。图3(c)展示了电磁信号从端口1输入时，高效电磁波导的S参数曲线图。图4为本实施例中谷边界态在无序和弯折界面中的电场强度分布和传输曲线图。图4(a)为在拓扑波导的界面附近随机选择和替换A、B类型的结构单元引入无序(缺陷)的结构示意图，图4(b)为在拓扑波导的界面转变为具有60°转角的Z字形通道(弯折)的结构示意图；图4(c)为当电磁信号从端口1输入时，通过无序界面及其电场强度分布示意图；图4(d)为当电磁信号从端口1输入时，通过弯折界面及其电场强度分布示意图；图4(e)为三种不同情况下的传输曲线对比图，其分别为无扰动的拓扑电磁波导(直通)、存在弯折界面的拓扑电磁波导(弯曲)和存在无序界面(缺陷)的拓扑电磁波导。
图3显示了电磁波从port1输入时整个波导的能流分布、电场强度Ez和传输曲线。通过分析拓扑波导中电磁场的分布和极化特性，结合锥形渐变传输线的场分布确定边界馈电点的位置，拓扑波导中的三角形过渡结构实现了电磁模式的高效转换。从图3(a)中可以看出，微带传输线与拓扑波导界面位置处的能量耦合和整个波导中能量的传输路径。图3(b)展示整个波导中电场强度Ez分布，电磁能量被紧密地束缚在A、B两个域之间的边界处。从port1输入的电磁信号经过锥形渐变能够很好的将导波模式逐渐转换为拓扑谷边界态，几乎所有电磁信号能够很好地沿着界面传输至port2；从图3(c)中的S参数曲线可以看出，在6-7.5GHz的频率范围内，回波损耗大于15dB，插入损耗小于1.5dB；这表明集成了传统微带线和拓扑电磁波导的整个波导系统具有低插损、高效率传输的优异特性。
谷拓扑电磁波导最大的特征是对缺陷的免疫性，而不存在谷间散射。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，在图4(a)和4(b)中我们引入两种不同的结构缺陷，一种是在拓扑波导的界面附近随机选择和替换A、B类型的结构单元引入无序(缺陷)；另一种则是在拓扑波导的界面转变为具有60°转角的Z字形通道(弯折)。图4(c)和4(d)分别是当电磁信号从port1输入通过缺陷和弯折界面时，在6.2GHz处的电场强度Ez分布。从图中可以看出，拓扑波导中传输的谷边界态能够平滑地通过缺陷和弯折界面继续向前传输。
为了更加清晰的展示三种不同情况下的传输性能，图4(e)显示了在无扰动(直通)、无序(缺陷)和Z字形通道(弯折)下电磁波从port1输入时传输曲线的变化情况。可以看出，两种(缺陷和弯折)情况下的传输效率与图3中无扰动(直通)的相比并没有发生显著的改变，揭示了拓扑谷边界态对缺陷和弯折界面的内在鲁棒性。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；即使存在扰动电磁信号在拓扑波导中也能够实现高效率传输。
本发明提出的基于拓扑谷边界态波导和传统波导混合集成的高效电磁波导，利用带有锥形渐变结构微带传输线作为起始馈线，并引入过渡结构，实现了微带线准TEM模到拓扑谷边界态的高效模式转换，系统传输效率极高，解决了传统波导与拓扑谷波导的混合集成问题。谷拓扑边界态能够在两种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，包括无源、有源或其它平面器件甚至天线。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，展示出良好的传输特性，说明了所提出的高效拓扑电磁波导结构具备无背向散射、对扰动的鲁棒性、传输效率高、损耗小等特点。此外，与先前的谷拓扑波导相比，所提出的谷拓扑波导不仅具有高效率传输的特点，也展示出具有亚波长厚度、易设计和优异的自洽电屏蔽，这与传统的基片集成波导电路完美兼容。本发明为使用标准印刷电路板技术在同一基板上制造和集成完整的基于拓扑波导的功能电路和系统提供了可能性，并且可以作为设计低成本、重量轻和易集成的选择方案。
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 (5)
1.一种基于拓扑谷边界态的高效电磁波导，其特征在于，位于xoy平面，关于y轴对称，包括上金属薄膜层、下金属层和介质基板，上层金属薄膜层位于介质基板的上表面；
上金属薄膜层沿x方向包括依次连接的第一渐变过渡段、基片集成拓扑波导段和第二渐变过渡段；下金属层满覆介质基板的下表面；
第一渐变过渡段与第二渐变过渡段的结构相同，关于x轴对称；第一渐变过渡段包括由左至右依次连接的微带线枝节、锥形渐变微带线和三角形过渡段微带线；微带线枝节的左端延伸至介质基板的左边沿，锥形渐变微带线由微带线枝节的右端延伸至基片集成拓扑波导段的左边沿；三角形过渡段微带线由基片集成拓扑波导段的左边沿向中心位置延伸；三角形过渡段微带线左端的线宽小于锥形渐变微带线右端的线宽；
基片集成拓扑波导段中y轴正方向的区域为A区域，y轴负方向的区域为B区域；A区域和B区域分别由若干个原胞按照三角晶格阵列排布构成，A区域和B区域的晶格常数相同；原胞内刻蚀有三个Y型气孔图案，三个Y型气孔图案在原胞中心位置处互相连接；A区域中所有原胞构成第一光子晶体PhC1，B区域中所有原胞构成第二光子晶体PhC2；令y轴正方向的原胞与x轴正方向之间的夹角为0°，则y轴负方向的原胞与x轴正方向之间的夹角为180°，即A区域和B区域的原胞呈180°中心旋转对称且错位排布；
拓扑波导通道位于下金属层、上金属薄膜层、A区域和B区域构成的畴壁之间；第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2对称地放置在y＝0界面的两侧构成AB型畴壁，转换第一光子晶体PhC1和第二光子晶体PhC2的位置则构成BA型畴壁，AB型畴壁和BA型畴壁在K谷和K′谷处的拓扑模式具有相反的能流方向。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑谷边界态的高效电磁波导，其特征在于，A区域和B区域中，基片集成拓扑波导段的沿x轴的长度大于波导波长，沿y轴的宽度大于三倍晶格常数。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑谷边界态的高效电磁波导，其特征在于，晶格常数a＝13mm，Y型气孔图案中枝节的长度为l＝2.8mm，宽度为w＝1mm；介质基板的厚度为t＝1mm；微带线枝节的线宽W0＝2.7mm，锥形渐变微带线沿x轴的长度L0＝13.5mm，锥形渐变微带线与基片集成拓扑波导段相交位置的线宽W2＝14.7mm；三角形过渡段微带线沿x轴的长度L1＝35mm，三角形过渡段微带线与基片集成拓扑波导段相交位置的线宽b＝5.6mm。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑谷边界态的高效电磁波导，其特征在于，通过改变Y型气孔图案在原胞中的相对位置，破坏动量空间中的C3v对称性，使光子晶体的对称性从C3v降低到C3，打开了原本在K和K'谷处的一对简并Dirac点，谷光子晶体的能带结构中出现了光子带隙。
5.根据权利要求1所述的基于拓扑谷边界态的高效电磁波导，其特征在于，第一渐变过渡段和第二渐变过渡段具有50Ω阻抗特性，用于匹配现有波导和基片集成拓扑波导段的阻抗，三角形过渡段能够将现有的导波模式平滑地过渡到基片集成拓扑波导段中的边界态。
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