设计狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤

  光学纤维由拓扑光子晶体制成，可提高其传输光的模式和偏振的通用性和控制能力。在成分上，光子晶体包含带隙，以防止光通过特定的波能量和动量，就像一个开关。在最近发表在《自然光：科学与应用》上的一份新报告中，郝琳说，中国科学院物理研究所的凌璐通过一种被称为“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更稳定地传输到远距离。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的二氧化硅纤维或三维打印技术来制造和测试这些理论概念。

了解光子晶体纤维中的节线和韦尔点

光子晶体纤维的功能依赖于无穷无尽的二维晶体。基于鲁棒波导的拓扑光子学概念可以启发新的纤维概念，包括在磁性三维光子晶体内开发单向纤维。在这项工作中，Lin和Lu利用二维光子晶体引入了一种拓扑光子晶体光纤(PCF)，其截面类似于狄拉克涡旋拓扑腔。狄拉克涡旋光纤是开发超宽带单极化单模(SPSM)光纤的理想设计，因为它在带隙内具有单态中隙色散。科学家们简化了制造步骤，只引入了四个毛细管硅管的简化设计，最终实现了跨越倍频的SPSM。

研究小组从最常见的光子晶体纤维开始，这是一种硅光子晶体，它有一个三角形的空气孔晶格。该材料在布里渊区包含两条由二维狄拉克点组成的节点线。如果他们通过在原始细胞中添加一个额外的小气孔来打破光子晶体纤维的反转对称性，该结构的每条节点线都可能出现韦尔点或材料上的拓扑电荷。韦尔粒子是质量消失的难以捉摸的费米子粒子，在自然界中不作为基本粒子被发现。相反，它们出现在固态材料中，在固态材料中，3d能带可以形成一种拓扑保护的类点交叉，称为韦尔点。光子韦尔点可以在结构复杂的三维光子晶体中实现。

发展了一个广义的凯库勒结构

本研究中所研究的拓扑束缚态也可以在有机化合物的单键和双键交替表示的蜂窝晶格中实现，称为凯库勒结构，以德国化学家奥古斯特·凯库勒命名，他最初提出了苯有机化合物的表示。接下来，研究人员在一个扩大的超级单体中耦合了两个Dirac点的节点线，并将它们湮灭到一个带隙中。每个超级单体都有三个原始细胞，它们被标记为包含三个支柱的人造“原子”。他们在不改变原子总质量的前提下，通过调整三个支柱的厚度，将原子的质心向任何方向移动，从而移动结构中的每个原子。科学家们发展了晶格的凯库勒调制，并绘制出了相应的能带结构。由于没有通过局部添加或移除材料而形成相应的拓扑缺陷，因此狄拉克涡旋光子晶体纤维的稳定性保留在设计本身。拓扑缺陷是通过轻微扰动整个晶格产生小的局部缺陷而形成的。狄拉克涡旋纤维的一个明确的拓扑特征是，通过增加圈数，可以容易地产生多个近简并模。一个整数，表示曲线绕着旋涡的一点逆时针运动的次数。理论上，研究人员可以通过3d打印的预制块(一种形式或形状)，或通过堆叠-绘制方法，实际制造出连续的单模或多模狄拉克涡旋光子晶体纤维，这种方法用于开发100多个不同管厚的光纤。然而，这两种方法都不方便，因此Lin和Lu等人提出了纤维设计的离散版本。

用四管形成单极化单模光纤的光纤设计

研究人员只需要四根管就可以堆叠并绘制出狄拉克涡旋光子晶体纤维，这是一种非常合理的制造方法。在此过程中使用的四个硅管具有相同的外径来维持晶格，但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，其中结构非均匀性存在于六个相同的界面。他们还注意到在狄拉克涡旋纤维中存在折射率引导模态，这种模态发生在当支板厚度出现明显的局部最大值时。这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旋大小和相应的带结构。涡旋直径有限的Dirac涡旋光子晶体光纤保持单极化单模(SPSM)。Lin和Lu等人测试了它们相对于约束损失、色散和有效面积以及弯曲损失的潜在性能。他们绘制出具有最低约束损耗的模，并指出拓扑模的损耗为
在一个八度的整个波长范围内最低。本文详细介绍的狄拉克涡旋光子晶体光纤的规格与以前的研究相似，但关键的不同之处在于本研究中使用的是单极化模式。

光子晶体纤维的展望

  基于这种方法，林浩和吕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堆叠-拉伸工艺来开发这种纤维，使用硅玻璃管或三维打印预先形成。与以前的纤维相比，这种方法更有优势，因为它可以任意引导任意数量的近简并模态。单模设计提供了具有倍频带宽的单极化单模光纤，通过改变材料中的旋涡大小，可以轻松地调整有效模式区域。该研究建议利用光子晶体光纤作为拓扑光子学的新平台。