具有第二陈数的拓扑单向光纤

光纤是通信、传感、生物医学以及许多其他光波技术和应用中普遍且不可或缺的组件。在此，我们提出拓扑单向光纤，以消除限制光纤性能的两个基本机制：散射和反射。我们设计了三维(3D)光子晶体光纤，其内部光子仅沿一个方向传播，完全不受瑞利和米氏散射影响，并显著抑制非线性布里渊和拉曼散射。单向光纤也没有菲涅尔反射，自然免除了对光纤隔离器的需求。我们的发现得益于最近在双螺旋(DG)光子晶体中发现的 Weyl 点。通过在磁性 DG 中通过超胞调制湮灭两个 Weyl 点，我们获得了具有非零第一陈数~($C_1$) 的 3D 量子霍尔相的光子类比。当调制变为螺旋时，单向光纤模式沿缠绕轴发展，模式数量由螺旋的空间频率决定。这些具有几乎相同的群速度和相速度的单偏振单模和多模单向光纤，在 3D 波矢量加上螺旋缠绕角的 4D 参数空间中由第二陈数~($C_2$) 提供拓扑保护。这项工作提出了一种利用更高维拓扑物理而无需诉诸人工维度的独特方法。