图1 结构布局、光子能带结构及Berry曲率
3.2 拓扑保护传播与边缘态验证
图2展示了拓扑保护传播的综合验证结果。投影能带中红色边缘态线穿越带隙，呈近似线性关系，表明拓扑边缘模式具有恒定的群速度。对于a=766nm和a=904nm两组结构，透射谱在目标波长1310nm和1550nm附近呈现钟形高透射峰（a/λ≈0.583），其他波长分量被有效抑制。归一化空间功率分布（图2(c)-(d)）和空间透射剖面（图2(e)-(f)）一致显示光功率严格约束在通道区域内，体态区域无任何散射。图2(g)-(h)进一步定量验证了工作波长分量在体态区域的透射可忽略不计，我们复现的体态绝缘效果与文献报道完全吻合。
图2 拓扑保护传播特性
3.3 背向散射免疫、转弯鲁棒性与缺陷免疫
图3验证了PTI的三个核心鲁棒特性。图3(a)-(b)显示在工作波长区域几乎无背向散射信号，证实了拓扑保护的背向散射免疫特性。对于含两处锐弯角的弯曲通道结构（图3(c)），λ=1550nm处的空间透射强度仍达到直线通道的93%，体态散射低于6%，充分证明了转弯鲁棒性。图3(f)-(g)的dB透射谱对比显示，引入1个甚至2个空气孔缺陷后，工作波长附近的透射率几乎无衰减，透射峰波长无偏移，验证了缺陷免疫特性。这三项测试完整再现了文献中PTI优于传统光子晶体波导的核心竞争力。
图3 鲁棒传输特性验证
3.4 多波长工作特性验证
图4展示了通过调节晶格常数实现多波长工作的能力。我们复现了从a=600nm到a=1000nm的参数扫描，得到工作波长从λ=1031nm到λ=1720nm的线性调谐关系，确认a≈0.583λ_operating。图4(b)显示四个不同晶格常数下的透射谱具有相同形状但峰值波长不同，且体态绝缘效果保持不变。对于a=850nm（λ=1480nm）和a=950nm（λ=1644nm）两个额外结构，我们同样验证了光功率完全约束在通道内、体态无散射，表明该设计可在铌酸锂的宽透明窗口（可见光至中红外）内实现任意波长的高效拓扑传输。
图4 多波长工作特性
3.5 双通道解复用器性能
图5展示了作为2通道光解复用器的完整性能。图5(a)为并排堆叠的解复用器结构，Y型分束铌酸锂波导将多波长光源同时耦合入两个通道。归一化空间功率分布（图5(b)-(c)）清晰显示λ=1310nm分量仅在下通道传输、λ=1550nm分量仅在上通道传输，两个通道之间由于拓扑保护实现了完美的体态隔离。dB透射谱分析（图5(d)-(e)）表明：下通道串扰低至−54dB，上通道串扰低至−27dB。这一结果验证了拓扑绝缘体作为集成解复用器的巨大潜力，其通道隔离优势远优于传统AWG和环形谐振器方案。
图5 解复用器布局（含通道分离）
3.6 压电开关关闭机制
图6展示了基于铌酸锂逆压电效应的开关关闭机制。施加2V阶跃电压后，通过FEM仿真得到了完整的空间电势分布和瞬态应力响应。图6(c)-(d)显示结构内诱导应力在1-3平面内均匀分布，稳态值约为0.3MPa。图6(e)的透射谱对比表明：施加2V电压后，工作波长透射率降至不足原值的5%，拓扑保护传输被有效关闭。图6(f)-(g)的空间功率分布直接可视化开关效果——0V时通道内有高强度光传输，2V时光通道内功率急剧衰减。图6(h)进一步验证了缺陷不改变应力分布，开关机制的鲁棒性良好。移除电压即可恢复传输，实现了可逆电控开关。
图6 压电开关关闭机制演示
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参考文献
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[2] A. Taflove, S. C. Hagness, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed., Artech House (2005).
[3] Lumerical Inc., FDTD: 3D Electromagnetic Simulator, https://www.lumerical.com.
[4] D. E. Zelmon, D. L. Small, D. Jundt, "Infrared corrected Sellmeier coefficients for congruently grown lithium niobate," J. Opt. Soc. Am. B, 14(12), 3319-3322 (1997).
