太赫兹频谱（0.1-10THz）资源丰富且大部分尚未被分配利用，成为了下一代通信技术的重要选择，为了实现高速、节能的芯片内和芯片间通信，低损耗高度集成的太赫兹功分器是必不可少的。最近，吉林大学电子科学与工程学院的徐速教授与浙江大学的李元贞博士联合报道了一种基于拓扑谷锁定模式的太赫兹片上功分器的通用设计方法，从而实现了灵活设计比例的功分器（图1）。该研究题为“Integrated terahertz topological valley-locked power divider with arbitrary power ratios”，已发表在10月1日的《Optics Letters》。该文的******作者为吉林大学硕士研究生王文雅

具体来说，设计了三层结构的光子晶体，具有两个不同的谷陈数域A和C和一个中间的半金属层B_X，利用Jackiw-Rebbi模型，通过仿真和实验验证了相等(1:1)和不等(4:9)的功率比，其中相等比例对应半金属层得的层数为：x₁=4,x₂=4,x₃=4，不等比例对应半金属层得的层数为：x₁=4,x₂=6,x₃=4。证明了可以通过调节半金属层的宽度来调节功分器的比例，这种方法能够灵活设计，实现紧凑集成，能够与其它的器件进行片上互连。该文所用到的全硅芯片来自于安徽中鼎玉铉新材料科技有限公司

原文链接：

https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-49-19-5579&id=560949

本文亮点

01

§ 器件结构以及材料可以实现紧凑集成，工艺成熟；

§ 所提出的器件的功率分配可以根据实际所需要的分配比例来设计，灵活度较高；

§ 能够在太赫兹频段进行传输，能够缓解紧张的频谱资源和当前无线系统的容量限制。

图1 (a)片上功分器由三个域组成的示意图，C_K(K’)表示图中的Berry曲率。从输入端来看，从上到下依次为：域A（l₁<l₂）、域B_X（l₁=l₂）和图中黄色区域统称为B_X；域C（l₁>l₂），红线表示单位晶胞，平行四边形单位晶胞和六边形晶胞等价，是倒空间中的最小布里渊区；(b)从上到下三个域的能带图，分别为：域A，域B_X，域C，灰色区域表示光线以上的辐射区域，插图表示******布里渊区。(c)域A和域C在106GHz和115GHz K点附近面外磁场相位分布图，六边形对应(a)中的晶格，黑色箭头表示坡印廷矢量。

图2 (a)A-|B_X|-C的异质结构，其中x代表Bx的层数；(b)、(d)和(f)分别展示了不同x值下拓扑边界态的分布（蓝色区域代表光线以上辐射区域）以及拓扑光子晶体的的面外磁场分布；(c)、(e)和(g)分别展示了不同x值下异质结构的阻抗，实线表示实部，虚线表示虚部；(h)展示了具有两个分路的功分器结构；(i)展示了不同x值在端口1和端口2中的功分比。

图3 (a)由A-|Bx|-C异质结构组成的功分器；(b)散射参数的传输谱，其中x₁=4,x₂=4,x₃=4；(c)图b中波导在109 GHz处的面外磁场分布；(d)散射参数的传输谱，其中x₁=4,x₂=6,x₃=4；灰色区域表示带隙，右侧的坐标表示端口2与端口3的功分比；(e)图d中波导在109 GHz处的面外磁场分布。

图4 (a)实验所用设备；(b)实验中使用的全硅芯片，其中A-|Bx|-C异质结构为：x₁=4,x₂=4,x₃=4；(c)实验中使用的全硅芯片，其中A-|Bx|-C异质结构为：x₁=4,x₂=6,x₃=4；(d)在x₁=4,x₂=4,x₃=4处的异质结构的散射传输谱图；(e)在x₁=4,x₂=6,x₃=4处的异质结构的散射传输谱图。 

全文总结

02

 本文提出了一种利用拓扑锁谷波导的灵活比例的功分器的通用设计方法，并在太赫兹波段进行了实验。利用拓扑锁谷模式改变域B_X的宽度，可以生成不同比例的功分器。除了调整半金属层的宽度外，改变连接的位置或引入不对称边界态也可以改变功分比。两种方法的结合可以进一步扩大应用范围。拓扑锁谷模式能够实现无间隙色散和各种模式宽度，从而扩展设备可用性并促进它们之间的通信。与传统的功分器相比，片上功分器可以实现更小的占地面积和更宽的带宽。此外，这种可以更好地与天线等外部组件连接，使其成为未来通信设备的有力竞争者。