微带线兼容的新型拓扑绝缘体结构：助力拓扑器件工程化

导读

得益于拓扑边态的鲁棒性，拓扑绝缘体器件成为当前的研究热点，并在微波集成电路中具有应用前景。然而，传统微波电路与拓扑绝缘体器件之间存在模式、阻抗失配问题，造成工程应用困难。以场态分析为基础，西安交通大学信息与通信工程学院施宏宇、张安学、徐卓团队，联合浙江大学沙威、高飞研究员，伦敦大学学院兰智豪博士，提出了一种可直接与传统微带电路匹配的拓扑绝缘体结构设计，并依此设计了耦合系数可调的拓扑绝缘体定向耦合器，在微波、太赫兹等频段验证了相关理论与设计的有效性。该工作以“A Topological Directional Coupler Fed by Microstrip Line withConfigurable Coupling Coefficient”为题发表在了IEEE和Optica联合出版的Journal of Lightwave Technology期刊上。

研究背景

拓扑绝缘体具有鲁棒的拓扑边态传播模式，由此设计的拓扑绝缘体波导也具有特殊的电磁边态，在波导局部缺陷及锐角边缘处仍可稳定传播，因此在微波集成电路中具有应用前景。然而，拓扑绝缘体波导与传统的微波传输线之间存在阻抗、模式的不匹配；尽管通过特殊的匹配结构可实现两者之间的匹配，但其通常面积大且设计复杂。因此，设计能与传统微波传输线直接匹配的拓扑绝缘体波导在工程实践中具有重要意义。

研究亮点

基于上述难点，研究团队以场态分析为基础，提出了如图1（a）所示的拓扑绝缘体模型，其可实现与传统微波微带电路的直接匹配。首先，该设计基于量子谷霍尔效应，仅需在K/K’点形成一个狄拉克锥，因此拓扑绝缘体模型仅需单面准周期结构，另一面可为地板，从而能与微带电路的地板更好匹配。其次，该拓扑绝缘体模型在六边形贴片外围引入了多根相连的金属细线结构。对金属细线处的电场分析如图1（b,c）所示，可见该拓扑绝缘体模型产生的拓扑边态与微带电路的场态高度相近，从而保证了二者之间有良好的模式匹配（S11低于-10 dB）。

图1 可直接匹配微带电路的拓扑绝缘体模型及场态分析

利用该拓扑绝缘体模型，团队的研究人员成功设计了多款拓扑绝缘体定向耦合器（如图2所示），其中输入输出端口均为50欧的微带电路，并通过渐变宽度的匹配设计与拓扑绝缘体直接相连。此外，改变拓扑绝缘体定向耦合器A/B型单元的相对关系，成功实现了-3.5 dB, -5 dB与-7 dB的耦合系数，实现了传统电路与拓扑态的良好匹配。此外，不同与传统的定向耦合器，拓扑绝缘体定向耦合器利用了自旋-动量锁定的新原理，实现了端口隔离度低于-20 dB的良好效果。

图2 直接匹配微带线的拓扑绝缘体定向耦合器

总结与展望

该工作为传统微波电路与拓扑绝缘体器件的无缝集成奠定理论基础，为两者的模式匹配和联合设计提供了简明的技术方案。论文第一作者及通信作者为西安交通大学信息与通信工程学院施宏宇副教授。该研究工作得到国家自然科学基金项目（61871315）的支持。

论文链接：A Topological Directional Coupler Fedby Microstrip Line with Configurable Coupling Coefficient | Journal ofLightwave Technology