波導與諧振器是所有電、光、聲集成系統中最基本的兩類元件。在諧振頻率下,波導與諧振器二者間可以發生“臨界耦合”現象,即:從波導流入諧振器的能量,不再能夠沿原有傳輸方向流回波導,使雙端口“波導-諧振器”系統的透過率接近于零。這一特性已獲得眾多應用,例如對多頻、多通道的光、聲信號進行濾波、交換、插分復用乃至高靈敏度的傳感、探測等。
近日,南京大學的研究團隊在《國家科學評論》(National Science Review, NSR)發表研究論文。他們將拓撲絕緣體邊界引入固體聲波體系,構建了由拓撲絕緣體邊界構成的“環形諧振器”及“波導-環形諧振器”耦合系統。在“臨界耦合”狀態下,該系統不只透射為零,入射端口背反射也為零。這意味著,該系統可以從根本上抑制由反射帶來的系統噪音,提升器件性能。
研究發現,與傳統設計的環形諧振器不同,在由拓撲絕緣體邊界所構成的環形諧振器中,由于其空間對稱性的天然破缺,將無法避免地同時存在兩類模式,即回音壁模式(whispering gallery modes, WGMs)及駐波模式(standingwave modes, SWMs),如圖1所示。
圖1, 利用拓撲絕緣體邊界構建的:a波導,其色散(b)展現出“自旋-動量(傳輸方向)鎖定”的特征,具有背散射抑制的性能。c環形諧振器,其可設計為任意形狀,且本征態(d)將不可避免地同時存在有兩類模式,即回音壁模式及駐波模式。
研究同時發現,與傳統波導與諧振器發生的“臨界耦合”現象相比,拓撲絕緣體系統的“臨界耦合”既類似,又具有重要的區別及優勢。例如:其既可以完全保留二端口傳輸通道的頻譜特性(諧振器諧振頻率處S21=0),又從根本上杜絕了入射端口的背反射(S11將始終為0),如圖2所示。
圖2, 左側為一個傳統的二端口“波導-環形諧振器”耦合系統,右側為由拓撲絕緣體邊界構建的類似系統,兩者均存在臨界耦合現象。然而,在后一系統中,當發生臨界耦合致使系統的透射系數(S21)降低至零時,入射端口的反射系數(S11)將依然保持為零。
目前,在光、聲系統中還較難實現與電子系統中類似的二極管(被動、無源、無外場的隔離器),而該特性可以從根本上抑制(在光、聲系統中)耦合環形諧振器對傳輸線路所帶來的致命噪聲,極大提升了對該類元件進行大規模集成應用的可行性。
值得注意的是,在拓撲絕緣體波導、諧振器二者發生“臨界耦合”時,諧振器將如同能量“黑洞”一般 ——只有能量流入,而無任何通道供能量流出,如圖3f、3g所示。于所有基于傳統設計的“波導-諧振器”系統相比,由拓撲絕緣體邊界構建的 “波導-諧振器”系統在完全保留傳輸頻譜特性的同時,徹底抑制了輸入端的反射及其所導致的噪聲,并大幅提升了諧振器內部的能量密度及頻譜Q值。
圖3, a:當由拓撲絕緣體邊界(黃色虛線)構成的波導與環形諧振器二者具有合適的間距時,工作于回音壁模式(模式2、1)的環形諧振器將與波導“臨界耦合”。在回音壁模式的頻率下,該雙端口系統的(c)透射系數及(d)反射系數將同時為零。f、g:此時,環形諧振器中將只有能量流入,而無任何通道供能量流出,諧振器內部的(b)能量密度將極大提升。
該研究將拓撲絕緣體的特性引入傳統(光/聲)功能元件,簡單而生動地展現了拓撲絕緣體所能夠帶來的顛覆性的性能優勢,為將“拓撲”的相關原理及性能應用于實際提振了信心,并為可量子集成的拓撲光、聲線路提供了基本元件。
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原文標題:拓撲絕緣體帶來的“波導-諧振器”性能顛覆:臨界耦合下既無透射、也無反射 | NSR
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