“波導-諧振器”效能顛覆：臨界耦合下既無透射、也無反射

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，入射埠背反射也為零。

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，提升器件效能。

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，由於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，即迴音壁模式（whispering gallery modes， WGMs）及駐波模式（standingwave modes， SWMs），如圖1所示。

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埠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埠的背反射（S11將始終為0），如圖2所示。

目前，在光、聲系統中還較難實現與電子系統中類似的二極體（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整合應用的可行性。

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。於所有基於傳統設計的“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，並大幅提升了諧振器內部的能量密度及頻譜Q值。

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效能優勢，為將“拓撲”的相關原理及效能應用於實際提振了信心，併為可量子整合的拓撲光、聲線路提供了基本元件。