[发明专利]一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件

说明书

本发明涉及流体声通信技术领域，公开了一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，包括介质为空气的基体和介质为声学刚性材料的散射体，利用类石墨烯蜂窝状的二维声子晶体结构器件，在声学中模拟量子谷霍尔效应，因为声子晶体原胞结构保持着C₆对称性，因此在布里渊区K点同时存在两个线性的狄拉克简并点，利用商业仿真软件得到二维蜂窝状声子晶体的能带结构，调整声子晶体中的对称性，获得能带中的极值点—谷，作为信息的载体，再组合两种不同拓扑态的声子晶体波导结构，实现具有抑制背向散射以及单向传输特性的边界态，利用边界态的单向性实现了双频段的声波分束器器件。本发明成本低，易于制得，具有抑制声波背向散射特性和较好的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及流体声通信技术领域，尤其涉及一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件。

背景技术

近些年，声通信、声学探测在特殊场合下需求强劲、发展迅猛，但也带来一些掣肘：声波通信器件中传统的声学材料特性限制了调控声波的方式。现如今拓扑材料在声学集成器件中的应用取得了巨大的发展，也成为众多研究者的聚焦点。其主要得益于拓扑材料中多样的色散关系以及奇异特性，通过有目的的设计人工晶体—声子晶体的能带结构，实现了声波在声子晶体中高局域、宽带、多频段以及低损耗的能量传播，无疑在生产制造还是基础研究等方面都拥有更多方式调控声波。

电子系统中量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、以及量子谷霍尔效应的发现打开了物质拓扑相的大门。其中谷定义为动量空间中能量的极值点，谷自由度和电子自旋自由度具有类似特点，一般也称其为赝自旋。谷自由度(Valley degree of freedom)作为一种新的信息载体，引入声子晶体后，在拓扑保护界面声波传输方面得到了长足的发展。它一般被发现于常规半导体材料、二维晶体材料(石墨烯、二硫化钼)等。研究人员使用谷自由度进行相关的信息传输、处理等任务具备能耗低、处理信息具备速度快、信息传输距离远且器件集成度高等优势。

目前，在声谷霍尔拓扑绝缘体的研究领域中，大多数研究人员只关注一个工作频带，限制多频带通信和其他多功能应用场景。因此，采用一种结构简单、集成度高和易于制备的方法来实现双波段声波分束器件是具有重要意义的。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件。

本发明提出的一种基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，包括介质为空气的基体和介质为声学刚性材料的散射体，利用类石墨烯蜂窝状的二维声子晶体结构器件，在声学中模拟量子谷霍尔效应，因为声子晶体原胞结构保持着C₆对称性，因此在布里渊区K点同时存在两个线性的狄拉克简并点，利用商业仿真软件得到二维蜂窝状声子晶体的能带结构，调整声子晶体中的对称性，获得能带中的极值点—谷，作为信息的载体，再组合两种不同拓扑态的声子晶体波导结构，实现具有抑制背向散射以及单向传输特性的边界态，得到双频段的声波分束器器件。

优选地，利用人工声子晶体结构在高对称点K处存在两对简并态，打破能带简并得到能带中的谷自由度，调控双频段的声波拓扑谷传输。

优选地，所述商业仿真软件采用有限元分析软件操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的基于声谷霍尔效应的双频段声波分束器件，在声学中模拟量子谷霍尔效应，其类石墨的声子晶体结构是由空气孔来对应石墨烯中的原子，因为晶格保持着C₆对称性，所以可以同时存在两对简并的狄拉克点，另外通过对称性的调节，可实现能带结构的翻转；

2、以谷自由度作为信息的载体，从单一的工作频段提升至双波段，实现了流体域中的双频段的声波分束功能；

3、根据体边对应关系，在两种相反拓扑晶体构成的波导中，能够实现双频段的拓扑声谷输运，同时也能够观察到能流具有赝自旋的特征，以及利用边界态的单向传输性实现了双频段的声波分束器。