Topological protection of EM waves with metallic photonic crystal. Theory and application to contra-directional coupler

Photonic Topological Insulators (PTI) are Photonic Crystals (PhC)structures with a bulk Photonic Band Gap (PBG) but gapless topologically protected states at its surface. These Topologically Protected Surface States (TPSS) are unidirectional and insensitive to a broad range of lattice defects including bends, disorders and vacancies. A metallic PTI that directly emulates Quantum Spin Hall Effect (QSH) and does not explicitly break time-reversal symmetry is here studied both theoretically and numerically. A broad range of numerical simulations are carried out employing commercial softwares HFSS and CST MWS to inspect the propagation properties of the proposed Topologically Protected Meta Waveguide (TPMW). Polarization-preserving properties of QSH PTI are used to design a compact hybrid directional and contra-directional coupler operating with a fractional bandwidth of 0.067 centered on 22.33GHz.

Gli Isolanti Topologici Fotonici (PTI) sono Cristalli Fotonici (PhC) con un gap proibito interno (PBG) ma con stati privi di gap e topologicamente protetti alla superficie. Tali Stati Superficiali Topologicamente Protetti (TPSS) sono unidirezionali ed immuni a molti difetti del reticolo cristallino fra cui curve arbitrariamente strette, irregolarità e lacune nel reticolo. Questo lavoro di Tesi consiste nello studio, teorico e numerico, di un PTI metallico che emula direttamente l’ effetto di Hall Quantistico di Spin (QSH) senza quindi violare la simmetria di invarianza temporale. Sono state condotte diverse simulazioni numeriche utilizzando i software commerciali HFSS e CST MWS allo scopo di esplorare le proprietà di trasporto di onde EM della guida d’onda a protezione topologica (TPMW) qui proposta. Le proprietà di conservazione della polarizazione, peculiari dei QSH PTI vengono utilizzate per progettare un accoppiatore ibrido direzionale e contro direzionale compatto operante su una banda frazionaria di 0.067 centrata a 22.33GHz