導讀

得益于拓撲邊態的魯棒性，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用前景。然而，傳統微波電路與拓撲絕緣體器件之間存在模式、阻抗失配問題，造成工程應用困難。以場態分析為基礎，西安交通大學信息與通信工程學院施宏宇、張安學、徐卓團隊，聯合浙江大學沙威、高飛研究員，倫敦大學學院蘭智豪博士，提出了一種可直接與傳統微帶電路匹配的拓撲絕緣體結構設計，并依此設計了耦合系數可調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理論與設計的有效性。該工作以“A Topological Directional Coupler Fed by Microstrip Line withConfigurable Coupling Coefficient”為題發表在了IEEE和Optica聯合出版的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傳播模式，由此設計的拓撲絕緣體波導也具有特殊的電磁邊態，在波導局部缺陷及銳角邊緣處仍可穩定傳播，因此在微波集成電路中具有應用前景。然而，拓撲絕緣體波導與傳統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構可實現兩者之間的匹配，但其通常面積大且設計復雜。因此，設計能與傳統微波傳輸線直接匹配的拓撲絕緣體波導在工程實踐中具有重要意義。

研究亮點

基于上述難點，研究團隊以場態分析為基礎，提出了如圖1（a）所示的拓撲絕緣體模型，其可實現與傳統微波微帶電路的直接匹配。首先，該設計基于量子谷霍爾效應，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構，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構。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生的拓撲邊態與微帶電路的場態高度相近，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分析

利用該拓撲絕緣體模型，團隊的研究人員成功設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型單元的相對關系，成功實現了-3.5 dB, -5 dB與-7 dB的耦合系數，實現了傳統電路與拓撲態的良好匹配。此外，不同與傳統的定向耦合器，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

總結與展望

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

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