近日，西北工业大学李冰教授、西安交通大学刘咏泉副教授与西班牙马德里先进材料研究所Johan Christensen教授合作团队提出了一种线性无源弹性波循环器设计策略，通过人工超材料对环向波矢的定制化设计，在不打破系统互易性的前提下，实现了弹性导波信号的高保真、强抗干扰的非对称循环传输。相关成果以“Giant elastic-wave asymmetry in a linear passive circulator”为题发表于国际学术期刊Nature Communications。论文第一作者为西北工业大学博士研究生胡亚斌，通讯作者为西北工业大学李冰教授、西安交通大学刘咏泉副教授和西班牙马德里先进材料研究所Johan Christensen教授。西北工业大学李永波教授对该工作亦有重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金、国家留学基金等项目的支持，并得到强度与结构完整性全国重点实验室和西安市航空器先进结构设计及应用重点实验室等平台的大力支持。
波的非互易传输是指波在介质中传播时，突破了传统的洛伦兹互易定理限制，具有正向和反向传播特性不一致的特点。基于这一理想的能量传递和再分配特性，可以设计出单向隔波器和循环器（多端口单向传输器），在通信和信号处理领域有着重要应用。然而，非互易传输的实现通常需要打破时空反演对称性。例如，目前在微波和声波领域提出的循环器设计策略，主要通过引入偏置的有源波场或者时间调制波源来打破系统的互易性，这种方式往往需要复杂的整体系统，并会引起信号失真、工作带宽窄等问题。在不破坏互易性的情况下，使用简单的线性无源结构实现波的“单向”传输，目前仍是一个挑战性难题。
不同于引入偏置场利用塞曼效应对频率调制的非互易循环器，该研究设计了一种线性无源的渐变波导实现了对环向波矢的调制。沿顺时针方向，入射波矢从端口I的
逐渐增加至端口II的
；沿逆时针方向，入射波在到达端口III之前波矢减小至0，从而无法继续减小至
。由于三个端口具有相同的配置，且循环器满足120°旋转对称性，波导的等效参数在端口I、II之间存在突变界面。若该界面处波矢连续，顺时针传输的入射波将发生模态跃迁。另一方面，从端口I到端口III波矢减小的过程中，逆时针传输的入射波在到达端口I和III突变界面之前波矢减小至0，继续向前传输波矢将发生突变，导致入射波在此处几乎完全反射。实现“单向”循环传输的关键在于沿顺时针方向界面突变处近乎完美的模态跃迁和沿逆时针方向连续界面处的模态显著抑制。
图1(a) 偏置场引起的非互易循环器，(b) 线性无源弹性波循环器，(c) 基于波矢调制的循环器设计策略
研究团队通过在环形波导两侧设计不同的人工单元来实现对弯曲波波矢的调制（图2）。端口I处激发的弯曲波主要耦合成模态2，沿顺时针传输波矢逐渐增加。在B1-B2界面突变处，尽管单胞参数差异巨大，但B2处模态2的波矢与B1处模态1的波矢相等，模态2近乎完美跃迁为模态1后继续传输至端口II。相反，端口I耦合的模态2沿逆时针反向传输时，波矢逐渐减小，直至在连续界面C处减小至0。由于位置C处模态2与模态1的波矢相差巨大，极端不匹配的阻抗导致模态1在此处几乎全反射。整体结构的旋转对称性确保了任意端口入射的弯曲波均沿顺时针方向的近邻端口输出，在目标频率附近实现了高度非对称的弹性波循环传输。
图2(a)三端口循环器中弯曲波位移场分布，(b) 单胞两种模态频谱，(c) (d)不同单胞mode 2和mode 1 的频散关系；(e) (f) 渐变梯度波导对两种模态弯曲波传输的抑制，(g) (h)突变界面处近乎完美的模态跃迁，(f) 图a中波矢的演变规律，(i) 直波导中模态跃迁和模态抑制的位移场图
研究团队自主搭建了激光扫描式瞬态波场实验测试平台，对弹性波循环器进行了全波场可视化实验验证（图3）。实验结果显示该循环器可将任意端口处激发的弯曲波沿顺时针方向引导至下一个端口输出，而在逆时针方向几乎全部被反射。与此同时，顺时针近邻输出端口的信号强度远大于逆时针输出端口接收的信号，其非对称指标在目标频率附近3 kHz范围内均大于6 dB，从而验证了该循环器在宽频范围内显著的非对称循环传输效果。
图3(a) 实验装置示意图，(b) 分别从三个端口附近激励产生的幅值场实验测试结果，(c) 输出端口的时域响应，(d)不同频率下非对称指标的实验与仿真结果
在此基础上，结合单胞参数优化以及波导宽度的梯度变化，研究团队进一步提出了一种改进的弹性波循环器（图4）。该结构克服了先前循环器波源位置局限于环形波导内的限制，可将波源移至入射端口。数值仿真与实验测试结果表明，从端口内激励产生的弯曲波可以很好地沿顺时针传输至下一个端口，却难以逆时针传输。相较于非互易循环器，该设计具有结构简单、工作频带宽、可设计性强等优势，并允许扩展至双环、更多端口配置。
图4 (a)改进波导中模态跃迁和模态抑制的位移场分布，(b) 位移场定量表征，(c) 改进循环器非对称位移场图，(d) 双环配置的循环器功能验证，(e) 改进循环器幅值场实验测试结果，(f) 不同频率下两个输出端口的强度对比
此外，研究团队通过循环器定制化设计探索了更多新奇波调控功能（图5）。融合镜面对称和旋转对称特征发展出了四端口循环器配置，实现了弯曲波沿顺时针方向从四个端口渐进输出。此外，仅利用3个单胞构成的对称隔绝器实现了弯曲波的完全反射和能量局域化；将其作为阀门分布于环形波导的枢纽位置，可以在迷宫形波导结构中引导弯曲波沿特定路径高效传输。最后，通过引入三种不同的缺陷模式——单胞缺失，错位和空腔，验证了所提弹性波循环器的鲁棒性和对缺陷的不敏感性等优点。
图5 (a)~(e) 多端口循环器引导弯曲波沿顺时针方向渐进输出，(f) 由对称隔绝器实现弯曲波的完全反射和能量局域化，(g) (h) 不同频率下隔绝器的完全反射和局域效果，(i) 利用隔绝器实现弯曲波在迷宫波导中沿特定路径传播，(j)~(l) 缺陷不敏感性验证
该工作基于波矢调制的策略，在线性系统中提出了一种无源多端口弹性波循环器设计方法，无需引入偏置场、非线性效应或时空调制，该弹性波循环器具有优异的宽频特性和抗干扰能力，其灵活、紧凑的设计可实现弹性导波信号的高保真、强抗干扰的定制化非对称传输。该调制策略可拓展至声波、电磁波等经典波系统，在芯片集成、单向波放大器、微粒操控、振动噪声控制等方面具有重要应用前景。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59313-0
