基于人工电磁结构的抗散射拓扑电磁波传输与调控研究进展

韩建飞、赵玉林、梁锋等

导读

下一代通信技术对信息处理速度及数据传输速率的要求显著提高，为了满足Tbps级高数据率的应用需求，毫米波、太赫兹及光混合通信技术将成为6G通信的关键技术。对于高频电磁波（特别是太赫兹波及光波），在传统的电磁波传输原理框架下，传输路径上的不连续结构对电磁波的传输效率影响较大，比如路径拐弯、结构或材料突变、制备误差引起的缺陷、杂质等都会引起严重的散射损耗，从而制约了电磁波的高效传输。借鉴于凝聚态物理领域近年发展起来的拓扑绝缘体具有的拓扑保护电子散射免疫特性，可从物理源头上探索新型电磁波的散射免疫或抗散射机制，于是便产生了电磁（含光）拓扑绝缘体和电磁拓扑边界态的研究方向。结合实际应用场景，利用基于简单材料构筑的人工功能基元+空间序构实现具有散射免疫特性的高效电磁波传输及动态调控的研究，具有重要的创新价值和广泛的应用前景，对于发展新型的高数据率信息处理和传输器件具有重要的理论和工程应用价值。

从2019年起，电子科技大学应用物理研究所王秉中教授团队的梁锋老师课题组开展了基于人工电磁结构的电磁拓扑绝缘体、抗散射拓扑边界态传输与调控的研究。本文对课题组在该方向上的研究工作及取得的成果进行概述和总结。

研究工作1：基于液晶加载光子晶体的可调、可编程拓扑谷边界态传输

拓扑谷光子晶体中的谷边界态具有抗散射和谷赝自旋锁定的传输特性，在拓扑波导、分束器和激光器等领域有重要的应用价值。然而，这种拓扑现象大多是在固定的几何结构和材料参数中实现，难以实现灵活的传输路径动态调控。

为解决抗散射拓扑谷边界态的传输路径动态调控问题，课题组结合向列型液晶的介电可调特性和拓扑谷光子晶体的抗散射传输特性，提出了一种加载液晶材料的可调、可编程的拓扑谷光子晶体结构。通过电控和数字编码的方式改变液晶的偏置状态灵活实现谷光子晶体结构局部区域的拓扑相变，进而调控拓扑电磁波的传播路径。所提出的液晶谷光子晶体结构在构造传输路径可重构的高效传输光子器件方面具有潜在应用价值。相关成果以“Tunable and programmable topological valley transport in photonic crystals with liquid crystals”为题发表在应用物理期刊Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 55, no. 15, 155102, April 2022上, 论文作者为赵玉林、梁锋（通讯作者）、汪相如、赵德双、王秉中。该论文目前已被SCI引用12次，文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ac485d ；https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/acd64b (Author correction)。

图1  基于液晶的可调和可编程拓扑谷光子晶体

研究工作2：全介质光子晶体中可调的拓扑边界态和高阶角态

随着电磁拓扑绝缘体的发展，稳健的拓扑态为片上通信提供了强有力的保障，特别是拓扑边界态和高阶角态可实现光的传输与局域增强。动态控制拓扑波的传输与局域增强在光子集成电路和光通信领域中具有重要的意义。然而，实现拓扑光子晶体边界态和角态的动态调控及相互转化具有较大挑战。

为克服上述挑战，课题组提出了一种在硅背景材料中嵌入花瓣状孔径的全介质新型拓扑光子晶体结构，进一步在花瓣状孔径中填充向列型液晶材料，通过控制偏置电压实现拓扑边界态和角态工作频率的动态调控。所提出的拓扑光子结构可实现可调的谷光子晶体波导与波分束、拓扑边界态和角态的转化。此外，与对应的三角形孔径结构相比，所提出的花瓣状孔径结构具有更宽的带隙。所提出的边界态和角态可调特性的全介质拓扑光子晶体对研发可调谐光波导、拓扑微腔和其他拓扑光学/太赫兹器件提供了有效的解决方案。相关成果以“Tunable topological edge and corner states in an all-dielectric photonic crystal ”为题发表在Top期刊Optics Express, vol. 30, no. 22, pp. 40515-40530, October 2022上, 论文作者为赵玉林、梁锋（通讯作者）、韩建飞、汪相如、赵德双、王秉中。该论文目前已被SCI引用9次，文章链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-22-40515&id=510228 。

图2  全介质光子晶体中可调的拓扑边界态和角态

研究工作3：支持高通量、高功率容量应用的宽通道太赫兹拓扑波导

通常的拓扑边界态电磁波只能沿两种具有不同拓扑相的材料或结构的界面上传输，信号传输的通道极窄，功率容量受限，也较难与传统的器件有效集成。

针对上述问题，课题组提出了一种基于人工表面等离激元晶体的支持二维谷锁定表面波的宽通道太赫兹拓扑波导。所提出的人工表面等离激元拓扑波导是由三种类型的光子晶体构成的A|C|B型类三明治异质结构，其中C夹层的整个区域都支持拓扑电磁波，这种波导扩展了通道宽度，可适用于高通量、高功率容量应用场景，且通道宽度可自由设计，易于与传统器件进行集成。相关成果以“Extended terahertz valley-locked surface waves in designer surface plasmon crystals ” 为题发表在应用物理期刊Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 56, no. 18, p. 185101, 2023上, 论文作者为赵玉林、梁锋（通讯作者）、韩建飞、赵德双、王秉中。文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/acc46f 。

图3  基于人工表面等离激元晶体的宽通道太赫兹拓扑波导

研究工作4：支持谷扭结态和谷极化手性边界态多模传输的基片集成拓扑光子晶体

多模信号传输可以显著提高波导的通信容量和数据速率，是通信系统发展的迫切需求。已有研究表明，谷拓扑态因具有良好的抗散射特性，在高速信息处理和通信中具有巨大的应用潜力。然而，已有的谷拓扑绝缘体结构仅支持单一类型的谷拓扑态，无法支持多模传输。

针对上述问题，课题组提出了一种可支持拓扑谷扭结态和谷极化手性边界态多模传输的基片集成拓扑光子晶体结构，该结构中不同类型的波导通道可以稳健地传输谷扭结态和谷极化手性边界态。更重要的是，通过连接不同类型的波导通道，可以实现谷扭结态、谷极化边界态和平庸边界态之间的平滑转换，这有利于与传统的电磁波导或器件对接。此外，与之前报道的基片集成拓扑系统不同，所提出的拓扑光子晶体不仅实现了经典波与拓扑波之间的高效耦合，还具有亚波长厚度且没有金属通孔或柱体结构，与平面集成电路工艺兼容。该工作提供了一种灵活操控不同类型拓扑波的有效方案，为设计具有抗散射和多模传输特性的平面集成拓扑系统开辟了一条新途径。相关成果以“Valley kink states and valley-polarized chiral edge states in substrate-integrated topological photonic crystals”为题发表于Top期刊Physical Review Applied, vol. 21, 014046, 2024上, 论文作者为韩建飞、梁锋（通讯作者）、赵玉林、刘嘉乐、王思淳、汪相如、赵德双、王秉中。文章链接https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.21.014046 。

图4 支持谷扭结态和谷极化手性边界态多模传输的基片集成拓扑光子晶体

图5 多模传输基片集成拓扑光子晶体波导加工样品及测试场景

研究工作5：从经典导波到拓扑手性边界态的高效转换

在拓扑电磁波的实际应用中，往往需要将拓扑波结构与经典波导结构对接以实现有效的能量馈入或信号提取，这对于拓扑电磁波的实际应用至关重要。因此，非常有必要研究拓扑边界态和经典导波之间的相互作用，以实现两种电磁模式间的高效耦合与转换。尽管在类量子自旋和谷霍尔系统中已有相关报道，然而在类量子霍尔系统中仍缺乏有效的实现方案。

为解决上述问题，课题组提出了一种带有锥形渐变的经典导波和拓扑光子晶体波导混合的过渡转换结构。在类量子霍尔系统中实现了经典导波与拓扑单向波间的高效耦合与转换，实现了从源端到接收端全系统的信号高效传输。基于动量和阻抗匹配原理解释了经典波和拓扑波之间高效耦合与转换的机制，通过原型制备和实验测量验证了所提出的波导结构及其在不同扰动下的鲁棒性和单向传输特性。所提出的波导结构也为探索和利用新型拓扑现象提供了有效的平台。相关成果以“Highly efficient conversion from classical guided waves to topological chiral edge states”为题发表于中科院2区期刊Chinese Optics Letters, vol. 22, no. 2, 023902, 2024上, 并被遴选为Editor’s Pick (编辑精选文章), 论文作者为韩建飞、梁锋（共同通讯作者）、赵玉林、丁霄、汪相如（共同通讯作者）、赵德双、王秉中。文章链接：https://www.researching.cn/articles/OJ520e6f081f7f06d2 。

图6 从经典导波到拓扑手性边界态的高效转换

图7 课题组论文入选Chinese Optics Letters编辑精选的期刊网页截图

研究工作6：支持谷扭结态和谷极化手性边界态的可重构拓扑波路由

动态可重构拓扑光子晶体为有效地调控拓扑波提供了灵活的解决方案。通常情况下，需要对整个拓扑绝缘体进行控制或对其中的每个单元结构进行数字编码来实现调控。然而，对较大体域空间中的每个原胞进行独立控制是相当具有挑战性的。

针对上述问题，课题组结合相变材料(Sb₂S₃)在光通信波段的灵活可调性及拓扑谷扭结态和谷极化手性边界态的稳健传输特性，提出了一种具有可重构拓扑波路由功能的光子拓扑绝缘体，只需要调控拓扑波通道上的单元，而无需调控体域中的单元，即可实现拓扑波传输路径的重构。我们将柱体相变材料嵌入到每个拓扑通道中，通过偏置电压控制相变材料的相态以动态调控拓扑边界态的色散。所提出的拓扑光子晶体具有拓扑光子开关、多通道选择性传输等一些独特特性。更重要的是，通过对每个波导通道进行数字编码可实现编码调控，而不需要控制体域中的每个单元。因此，所提出的拓扑光子平台为实现动态可重构的拓扑波路由提供了一种方便且易于实现的解决方案。相关成果以“Reconfigurable topological wave routing based on tunable valley kink states and valley-polarized chiral edge states”为题发表在Top期刊Optics Express, vol. 32, no. 15, pp. 26819-26832, 2024上, 论文作者为韩建飞、梁锋（通讯作者）、赵玉林、汪相如、赵德双、王秉中。文章链接https://doi.org/10.1364/OE.529005，https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-15-26819&id=553203 。

图8 基于可调的谷扭结态和谷极化手性边界态的可重构拓扑波路由

未来工作展望

阻抗匹配是传统的天线及其阵列设计中必须考虑的一个关键问题，阻抗匹配良好，则天线总效率较高；阻抗匹配较差，则天线总效率较低。然而，阻抗匹配往往依赖于频率，天线的高效率和宽频带往往是一对矛盾，难以兼顾。鉴于拓扑边界态电磁波具有“勇往无前”——抗背向散射的特性，利用受拓扑特性保护的边界态电磁波作为漏波天线的行波馈源，可构造出一种无需阻抗匹配的新型辐射机制天线，这种辐射机制能兼顾高效和宽带两种特性，可为天线及其阵列设计带来极大的灵活性，为高数据率无线通信应用需求提供一种有效的解决方案。下一步工作中，我们拟将拓扑边界态电磁波应用到漏波天线中，研发具有抗背向散射、无需特别考虑阻抗匹配的高效率、宽带拓扑漏波天线，并探索这类天线的定频波束扫描潜力。

主要作者简介

韩建飞，电子科技大学物理学院应用物理研究所2021级博士研究生，导师为梁锋教授。主要研究方向包括电磁拓扑绝缘体及非互易电磁器件。已发表一作SCI论文3篇（其中2篇为TOP期刊论文，另一篇入选期刊的编辑精选论文），授权发明专利3项。

赵玉林， 2023年12月博士毕业于电子科技大学物理学专业，现为成都航空职业技术学院教师、电子科技大学与中航工业凯天电子校企联合培养博士后，校方合作导师为梁锋教授。目前的主要研究方向包括电磁拓扑绝缘体、新型电磁器件。

梁锋，电子科技大学应用物理研究所教授、博士生导师、电子信息科学与技术系副主任。主持（含完成）科研项目10余项，在IEEE Transactions on Antennas and Propagation，Physical Review Applied，Optics Express等期刊上发表SCI论文30余篇，授权发明专利9项。目前的主要研究方向包括：人工电磁媒质、可重构智能天线（特别是液晶相控阵天线）、抗散射拓扑电磁波。

王秉中，电子科技大学应用物理研究所教授、博士生导师。享受国务院政府特殊津贴专家，中国电子学会会士，中国电子学会微波分会副主任委员，IEEE MTT-S成都Chapter主席。目前感兴趣的研究领域有计算电磁学、天线理论与技术、时间反演电磁学。