作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 SPSM的不对称和对称方法
通过结构不对称分裂简并基模的主要方法
提议的布拉格光纤设计，通过单简并模式来引导光，其损耗比其他模式低
拓扑光子晶体光纤为宽带SPSM提供单重态中隙色散
学分:光:科学与应用，doi:10
1038/s 14377-020-00432-2 由拓扑光子晶体制成的光纤提高了多功能性，并能控制它们传输的光的模式和偏振
在组成上，光子晶体包含带隙，以防止相对于特定波能量和动量的光通过，就像开/关开关一样
在《自然之光:科学与应用》杂志上发表的一份新报告中，中国科学院物理研究所的林好和陆玲通过一种被称为“狄拉克涡旋”的拓扑特征，在大频率范围内传输纯“单模”光
“这一概念可以使光信号在长距离传输中更加稳定
虽然这项工作目前是理论性的，但研究人员建议使用基于堆叠和拉伸方法或三维印刷技术的二氧化硅纤维来制造和测试这些理论概念
理解光子晶体光纤中的节点线和威尔点
光子晶体光纤的功能依赖于种类繁多的二维(二维)晶体
基于鲁棒波导的拓扑光子学概念可以激发新的光纤概念，包括在磁性三维光子晶体中发展单向光纤
在这项工作中，林和陆介绍了一种拓扑光子晶体光纤(PCF)，其截面类似于二维光子晶体的狄拉克涡旋拓扑腔
狄拉克涡旋光纤是发展超宽带单偏振单模(SPSM)光纤的理想设计，因为在带隙内有单重态中间带隙色散
科学家们简化了制造步骤，引入了一个只有四根毛细管的简化设计，最终实现了一个八度跨度的SPSM
该团队从最常见的光子晶体光纤开始，这是一种带有三角形气孔的石英光子晶体
这种材料在布里渊区包含两个二维狄拉克点的节点线
如果他们通过在原始细胞中添加一个额外的小气孔来破坏光子晶体光纤的反转对称性，那么该结构的每一条节点线都可能会与材料上的威尔点或拓扑电荷形成缺口
Weyl粒子是质量消失的难以捉摸的费米子粒子，在自然界中没有发现它是基本粒子
相反，它们出现在固态材料中，在那里三维带可以形成拓扑上受保护的点状交叉，称为韦勒点
光子能量点可以在具有复杂结构的三维光子晶体中实现
二氧化硅能带图(ε = 2
1)在面外方向(z)上均匀的光子晶体晶格
三角形光子晶体的投影带图，其中强调了节点线简并性
(2)原始细胞中的一个额外的空气孔破坏了反转对称性，节点线被提升到威尔点
插图:kza/2π = 2时的横截面结构和平面内能带结构
02
在(a)中画出了两种不同的基本单元选择
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1038/s 14377-020-00432-2 发展一个广义的凯库勒结构 这项工作中研究的拓扑束缚态也可以在蜂窝晶格中实现，蜂窝晶格中有机化合物的单键和双键交替表示被称为凯库勒结构，以德国化学家奥古斯特·凯库勒的名字命名，他最初提出这种表示来发展苯有机化合物
研究人员接下来将狄拉克点的两条节点线耦合到一个扩大的超晶格中，并将它们湮灭在带隙中
每个超级细胞都有三个原始细胞，被标记为包含三个支柱的人造“原子”
他们通过调整三个支柱的厚度，在不改变原子总质量的情况下，向任何方向移动质量中心，从而移动结构中的每个原子
科学家对晶格进行了凯库勒调制，并绘制了相应的能带结构
狄拉克涡旋光子晶体光纤的稳定性保留在设计本身中，因为相应的拓扑缺陷不是通过局部添加或移除材料而形成的
拓扑缺陷是通过轻微扰动整个晶格以产生小的局部缺陷而形成的
狄拉克涡旋纤维的一个决定性的拓扑特征是通过增加缠绕数容易产生多个近简并模式
e
一个整数，表示曲线绕一点逆时针旋转的次数
原则上，研究人员实际上可以用三维印刷预制件(一种形式或形状)或通过用于开发具有100多个不同管厚的管的光纤的堆叠和拉伸方法来制造连续的单模或多模狄拉克涡旋光子晶体光纤
然而，这两种方法都不方便，因此林和陆等人
展示了纤维设计的独立版本
通过连续凯库勒调制获得的狄拉克涡旋纤维
(a)通过改变三个支柱的宽度，如何以有限的幅度(|δ|)向任何方向(arg[δ] = ϕ)移动“原子”的例子
(b1)、(c1)、(d1)三个配位原子(A1、A2和A3)的超胞例子
相应的能带结构分别绘制在(b2)、(c2)和(d2)中
连续狄拉克涡旋光子晶体光纤的结构，其中每个支柱根据其宽度着色
参照原始节点线(中心虚线)的频率绘制的光纤带图
插图显示了拓扑模式和一个局部缺陷模式的强度模式
单极化拓扑模式(红线)跨越两个八度音阶
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1038/s 14377-020-00432-2 四管光纤设计，形成单偏振单模光纤 研究人员只需要四根管子来堆叠和拉伸狄拉克涡旋光子晶体光纤，这对于制造来说是非常合理的
在该方法中使用的四个石英管具有相同的外径以保持晶格，但是不同的内径用于调制
研究人员绘制了由此产生的离散狄拉克涡旋纤维及其束缚结构，其中六个相同的界面存在结构不均匀性
他们还注意到狄拉克涡流纤维中存在指数导向模式，这种模式出现在支柱厚度出现急剧局部最大值的地方
这些相当于有效折射率的局部上升
科学家们还注意到了纤维横截面的涡流大小和相应的带结构
具有有限涡旋直径的狄拉克涡旋光子晶体光纤保持单偏振单模(SPSM)
林、陆等
测试它们相对于限制损失、色散和有效面积以及弯曲损失的潜在性能
他们绘制了具有最低限制损耗的模式，并注意到拓扑模式的损耗对于整个波长范围跨越一个倍频程是最低的
这里详细描述的狄拉克涡旋光子晶体光纤的规格与以前的研究相似，尽管在这项工作中使用了单偏振模式的关键区别
缠绕数w = +1、+2、+3的连续狄拉克涡流纤维
(a1)、(b1)和(c1)是纤维结构
色轮显示了广义凯库勒调制的相应相位
(a2)、(b2)和(c2)是相应的能带图，插图显示了kza/2π = 4时的模式分布(zˆ⋅Re[E∗×H)
学分:光:科学与应用，doi:10
1038/s 14377-020-00432-2 有限涡旋尺寸的连续狄拉克涡旋纤维中的倍频程SPSM
半径为16个包层周期的光纤结构
色轮代表广义凯库勒调制的相位和幅度
绝对频率的完全光纤色散
第一拓扑带隙中的第一拓扑模式(红线)和更高阶的双合模式(绿色虚线)，以及第二拓扑带隙中的第二拓扑模式(蓝线)，频率更高
两种拓扑模式的模式轮廓(zˆ⋅Re[E∗×H)显示在插图中，为清晰起见，用不同的颜色圈出
相对于原始节点线频率的光纤频率色散
导向模式的限制损失
第一拓扑模式的色散参数和有效面积
λ = 1550纳米时第一拓扑模式的弯曲损耗
学分:光:科学与应用，doi:10
1038/s 14377-020-00432-2 光子晶体光纤展望 这样，林好和陆玲对狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤的原理、结构和潜在性能进行了数值研究
他们建议使用标准的叠拉工艺，使用石英玻璃管或三维印刷预制件来开发这种纤维
与以前的光纤相比，该方法具有优势，因为它能够随意引导任意数量的近简并模式
单模设计为单偏振单模光纤提供了倍频程带宽，通过改变材料中的涡流大小，可以轻松调整有效模面积
这项工作建议使用光子晶体光纤作为拓扑光子学的新平台
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