微帶線兼容的新型拓撲絕緣體結(jié)構(gòu)：助力拓撲器件工程化

導(dǎo)讀

得益于拓撲邊態(tài)的魯棒性，拓撲絕緣體器件成為當前的研究熱點，并在微波集成電路中具有應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)微波電路與拓撲絕緣體器件之間存在模式、阻抗失配問題，造成工程應(yīng)用困難。以場態(tài)分析為基礎(chǔ)，西安交通大學(xué)信息與通信工程學(xué)院施宏宇、張安學(xué)、徐卓團隊，聯(lián)合浙江大學(xué)沙威、高飛研究員，倫敦大學(xué)學(xué)院蘭智豪博士，提出了一種可直接與傳統(tǒng)微帶電路匹配的拓撲絕緣體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并依此設(shè)計了耦合系數(shù)可調(diào)的拓撲絕緣體定向耦合器，在微波、太赫茲等頻段驗證了相關(guān)理論與設(shè)計的有效性。該工作以“A Topological Directional Coupler Fed by Microstrip Line withConfigurable Coupling Coefficient”為題發(fā)表在了IEEE和Optica聯(lián)合出版的Journal of Lightwave Technology期刊上。

研究背景

拓撲絕緣體具有魯棒的拓撲邊態(tài)傳播模式，由此設(shè)計的拓撲絕緣體波導(dǎo)也具有特殊的電磁邊態(tài)，在波導(dǎo)局部缺陷及銳角邊緣處仍可穩(wěn)定傳播，因此在微波集成電路中具有應(yīng)用前景。然而，拓撲絕緣體波導(dǎo)與傳統(tǒng)的微波傳輸線之間存在阻抗、模式的不匹配；盡管通過特殊的匹配結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)兩者之間的匹配，但其通常面積大且設(shè)計復(fù)雜。因此，設(shè)計能與傳統(tǒng)微波傳輸線直接匹配的拓撲絕緣體波導(dǎo)在工程實踐中具有重要意義。

研究亮點

基于上述難點，研究團隊以場態(tài)分析為基礎(chǔ)，提出了如圖1（a）所示的拓撲絕緣體模型，其可實現(xiàn)與傳統(tǒng)微波微帶電路的直接匹配。首先，該設(shè)計基于量子谷霍爾效應(yīng)，僅需在K/K’點形成一個狄拉克錐，因此拓撲絕緣體模型僅需單面準周期結(jié)構(gòu)，另一面可為地板，從而能與微帶電路的地板更好匹配。其次，該拓撲絕緣體模型在六邊形貼片外圍引入了多根相連的金屬細線結(jié)構(gòu)。對金屬細線處的電場分析如圖1（b,c）所示，可見該拓撲絕緣體模型產(chǎn)生的拓撲邊態(tài)與微帶電路的場態(tài)高度相近，從而保證了二者之間有良好的模式匹配（S11低于-10 dB）。

圖1 可直接匹配微帶電路的拓撲絕緣體模型及場態(tài)分析

利用該拓撲絕緣體模型，團隊的研究人員成功設(shè)計了多款拓撲絕緣體定向耦合器（如圖2所示），其中輸入輸出端口均為50歐的微帶電路，并通過漸變寬度的匹配設(shè)計與拓撲絕緣體直接相連。此外，改變拓撲絕緣體定向耦合器A/B型單元的相對關(guān)系，成功實現(xiàn)了-3.5 dB, -5 dB與-7 dB的耦合系數(shù)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)電路與拓撲態(tài)的良好匹配。此外，不同與傳統(tǒng)的定向耦合器，拓撲絕緣體定向耦合器利用了自旋-動量鎖定的新原理，實現(xiàn)了端口隔離度低于-20 dB的良好效果。

圖2 直接匹配微帶線的拓撲絕緣體定向耦合器

總結(jié)與展望

該工作為傳統(tǒng)微波電路與拓撲絕緣體器件的無縫集成奠定理論基礎(chǔ)，為兩者的模式匹配和聯(lián)合設(shè)計提供了簡明的技術(shù)方案。論文第一作者及通信作者為西安交通大學(xué)信息與通信工程學(xué)院施宏宇副教授。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目（61871315）的支持。

論文鏈接：A Topological Directional Coupler Fedby Microstrip Line with Configurable Coupling Coefficient | Journal ofLightwave Technology