一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。高效电磁信号传输问题上提供一种新的思路。高效电磁信号传输问题上提供一种新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导


[0001]本专利技术属于拓扑光子晶体
，具体涉及一种基于拓扑手性边界态的高效电磁波导。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术所提出的技术问题是这样解决的：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]进一步的，矩形介质块和梯形介质块选用F4B材料。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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；
[0017]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。
[0018]进一步的，通过调控施加磁场的方向，能够实现本专利技术所述电磁波导的非互易传输与隔离特性。
[0019]本专利技术根据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。本专利技术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，本专利技术为研制高耦合效率、高效传输、低损耗的拓扑单向电磁波导开辟了一条新途径。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021](1)本专利技术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。
[0022](2)由于电磁信号在两种不同光子晶体的界面上传播，本专利技术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。
[0023](3)在通信系统中，本专利技术所述拓扑电磁波导实现了电磁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁锋，韩建飞，赵玉林，赵德双，王秉中，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：