CN110007398A - 实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导，上半部分由多层具有拓扑平庸性质的晶胞的排列而成，下半部分由多层具有非平庸拓扑性质的晶胞排列而成；拓扑平庸性质的晶胞、拓扑非平庸性质的晶胞均由截面为椭圆形的介质柱呈C6对称的方式排列构成。本发明的光子晶体光波导由椭圆介质柱构建，由于椭圆介质柱的排列方式，在平庸与非平庸晶体的交界处形成能够引导光子自旋传播的路径，减少了散射到光子晶体内部的光，提高了波导的传输效率，大大加强了波导结构的光子局域性，抑制背向散射，实现鲁棒性好的单向拓扑传输。

Description

实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导
技术领域
本发明涉及一种光子晶体技术领域，特别涉及一种实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导。
背景技术
拓扑光子晶体可以实现量子自旋霍尔效应，得到稳定的边界模式以及光子赝自旋机制，已经成为当前研究领域的一个热点问题。利用光子晶体结构中光与物质的相互作用，设计出性能优越的光波导器件，为非互易滤波器、光开关等应用提供了新的方向。
由于类石墨烯结构的蜂窝状光子晶体在一定程度变形的前提下，可以在第一布里渊区Г点附近打开非平庸光子带隙，同时实现拓扑光子晶体能带反转，光子带隙的出现意味着该频率范围内的光无法在光子晶体结构内传输，当利用平庸与非平庸光子晶体界面引入缺陷结构时，光子带隙中会出现允许光传输的缺陷模式。在界面处放置携带轨道角动量的点源时，会激励单向涡流状翻转传输的光流。传统基于拓扑边界态构建的光波导结构光子自旋不易控制，部分光散射到光子晶体内部，导致结构光子局域性不强，降低了传输效率。
综上所述，面对当前光通信领域集成化、智能化、高效化的需求下，设计一款传输效率高、光子局域性强、单向性好的光波导光子晶体结构显得尤为迫切。
发明内容
本发明基于蜂窝状光子晶体Dirac锥的分离及赝自旋模式的反转，设计了一种光子晶体光波导结构，以克服传统波导光子局域性弱、传输效率低等问题。
本发明所述的实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导，其特征在于，由拓两个部分组成，上半部分由多层具有拓扑平庸性质的晶胞的排列而成，下半部分由多层具有非平庸拓扑性质的晶胞排列而成；
所述拓扑平庸性质的晶胞、拓扑非平庸性质的晶胞均由截面为椭圆形的介质柱呈C6对称的方式排列构成，晶胞的二维截面为正六边形，所述介质柱截面的短轴与晶胞边界平行，相邻两个晶胞共用一条边；所述相邻两个晶胞中心的距离为晶格常数a，晶胞中心到介质柱中心的距离R，拓扑平庸性质的晶胞满足a/R＞3，所述拓扑非平庸性质的晶胞满足a/R＜3。
上述方案中，所述介质柱采用的材料是普通硅材料。
上述方案中，所述椭圆形介质柱的横截面的长轴为m＝0.15a，短轴为n＝0.12a，晶格常数a＝1μm。
上述方案中，所述光子晶体波导结构上半部分由3层拓扑平庸晶胞排列构成，下半部分由3层拓扑非平庸晶胞构建排列构成。
上述方案中，所述光子晶体波导结构中激励源为携带正轨道角动量的点源，放置在平庸与非平庸光子晶体的边界上。
与传统光子晶体波导结构相比，本发明具有以下有益效果：
通过对标准蜂窝状光子晶体(a/R＝3)的沿着晶胞中心向内压缩，能够得到具有拓扑平庸(a/R＞3)性质的光子晶体结构，此时Dirac分离，可以打开一个平庸光子带隙。通过对标准蜂窝状光子晶体(a/R＝3)的沿着晶胞中心向外拉伸，能够得到具有拓扑非平庸(a/R＜3)性质的光子晶体结构，此时Dirac分离，可以打开一个非平庸光子带隙。携带轨道角动量的电源放置在平庸拓扑区域与非平庸区域的边界上，用于激励具有自旋传播性质的电磁波。本发明提供的光子晶体光波导结构由椭圆介质柱构建，由于椭圆介质柱的排列方式，在平庸与非平庸晶体的交界处形成能够引导光子自旋传播的路径，光流沿着椭圆介质柱长轴传输。该结构减少了散射到光子晶体内部的光，提高了波导的传输效率，由于该路径紧靠边界，大大加强了波导结构的光子局域性，抑制背向散射，实现鲁棒性好的单向拓扑传输。
基于拓扑边界态设计的光子晶体波导结构，传输效率能达到83％，光传输的鲁棒性好，即使在拐角处也可以实现零反射和高效率传输。因此，基于椭圆介质柱构建的拓扑光子晶体光波导结构是一种非常有应用价值的选择。
本发明提供的光子晶体光波导结构可以通过调整晶格参数，实现调整工作带宽以及工作频率的目的，在工程应用中可以根据实际需求，设计适合不同频率及带宽传输的结构。
附图说明
图1为本发明所述基于拓扑边界态设计的二维光子晶体波导结构示意图。
图2中(a)为具有拓扑平庸(a/R＞3)性质的蜂窝状光子晶体结构示意图，图2(b)为标准蜂窝状光子晶体(a/R＝3)结构示意图，图2(c)为具有拓扑非平庸(a/R＜3)性质的蜂窝状光子晶体结构示意图其中晶格常数a＝1μm，椭圆长轴为m＝0.15a，短轴为n＝0.12a。
图3中(a)为本发明提供的二维光子晶体波导超胞结构示意图，图3(b)沿着该超胞内波矢kx从-0.5到0.5计算所得的色散关系曲线，其中斜率分别为正和负的曲线表示赝上自旋和赝下自旋边界态，图3(c)为图2(a)和(c)光子晶体对第一布里渊区内“K-Г-M”路径进行能带扫描得到的能带结构图。
图4(a)为归一化频率为0.413(2πc/a)的电磁波在图1结构中单向传输模场分布示意图，其中光由携带轨道角动量的点源激励，图4(b)为图4(a)所对应的波印廷矢量的分布图，蓝色曲线表示光子晶体波导中由椭圆介质柱排列方式形成的光子自旋引导路径。
图中：
1-拓扑平庸部分，2-拓扑非平庸部分，3-拓扑平庸性质的晶胞3，4-拓扑非平庸性质的晶胞，5-介质柱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的光子晶体光波导，包括上部的拓扑平庸部分、下部的拓扑非平庸部分。上半部分由多层具有拓扑平庸性质的晶胞3的排列而成，下半部分由多层具有非平庸拓扑性质的晶胞排列而成。
所述拓扑平庸性质的晶胞3、拓扑非平庸性质的晶胞4均由截面为椭圆形的介质柱5呈C6对称的方式排列构成，晶胞的二维截面为正六边形，所述介质柱5截面的短轴与晶胞边界平行，相邻两个晶胞共用一条边；所述相邻两个晶胞中心的距离为晶格常数a，晶胞中心到介质柱5中心的距离R，拓扑平庸性质的晶胞3满足a/R＞3，所述拓扑非平庸性质的晶胞4满足a/R＜3。
本实施例中上部的拓扑平庸部分、下部的拓扑非平庸部分均由三层晶胞排列而成。光子晶体的介质柱5材料为硅材料，背景为空气，介质柱5横截椭圆面的长轴m长度为0.15a，短轴n长度为0.12a，晶格常数a＝1μm。
要实现量子自旋霍尔效应，需要在蜂窝状光子晶体晶胞中生成拓扑光子带隙以及模式反转。对于拓扑平庸光子晶体，Dirac点分离，导致了光子带隙的产生，带隙的上能带类似于电子轨道中d轨道的分布，而带隙的下能带类似于p轨道的分布。当单元晶胞变形为拓扑非平庸结构时，原本简并双重Dirac点重新打开，在第一布里渊区内出现新的光子带隙，带隙的上能带类似于电子轨道中p轨道的分布，而带隙的下能带类似于d轨道的分布。换句话说，在光子晶体由平庸结构变形为非平庸结构的过程中，发生了p态和d态之间的模态反转，实现了拓扑相位变换，如图3(c)所示。
本发明设计的光子晶体波导结构上半部分为拓扑平庸结构，下半部分为拓扑非平庸结构，如图3(a)所示。在边界的两侧，光子晶体具有相反的旋转陈数(±1)，形成两个自旋相反的旋转态。两个旋转态的耦合在平庸和非平庸光子晶体带隙重合部分激励了一对螺旋边界态，该边界态具有非对称旋转极化单向传输的特性，能够在边界上实现背向散射被抑制的电磁波单向传输，如图3(b)所示。
一个携带正轨道角动量(+1)被放置在平庸晶体与非平庸晶体的边界上，用于激励上自旋模式的电磁波。根据模场分布的模拟结果，光能单向平稳地向左侧流动，而结构的背向散射可以忽略不计。值得注意的是，由于椭圆介质柱5的排列方式，光流被限制在边界的附近并且自旋波被边界处的椭圆介质柱5长轴引导。该结构在实现光子自旋引导传输的同时，减少了散射到光子晶体内部所造成的光损耗，光流被局域在边界附近，加强单向光传输的稳定性，如图4(a)所示。
为了进一步了解该光子晶体波导结构中光子自旋特征，计算了Poynting矢量示意图，如图4(b)所示。由于量子自旋霍尔效应的旋转本质，观察到了光流沿着边界螺旋翻转着向左方传播。由谐振点源激励的光流被椭圆长轴引导，在边界的下方出现了沿着椭圆长轴方向分布的光子自旋引导路径，得到具有局域性更好、自导性更强、传输效率更高的光子晶体光波导结构。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。如基于该实施例实现的光分束器等。凡从本发明所公开的内容直接联想到的结构，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导，其特征在于，由拓两个部分组成，上半部分由多层具有拓扑平庸性质的晶胞(3)的排列而成，下半部分由多层具有非平庸拓扑性质的晶胞排列而成；
所述拓扑平庸性质的晶胞(3)、拓扑非平庸性质的晶胞(4)均由截面为椭圆形的介质柱(5)呈C6对称的方式排列构成，晶胞的二维截面为正六边形，所述介质柱(5)截面的短轴与晶胞边界平行，相邻两个晶胞共用一条边；所述相邻两个晶胞中心的距离为晶格常数a，晶胞中心到介质柱(5)中心的距离R，拓扑平庸性质的晶胞(3)满足a/R＞3，所述拓扑非平庸性质的晶胞(4)满足a/R＜3。
2.根据权利要求1所述的基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导，其特征在于，所述介质柱(5)采用的材料是普通硅材料。
3.根据权利要求1所述的基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导，其特征在于，所述椭圆形介质柱(5)的横截面的长轴为m＝0.15a，短轴为n＝0.12a，晶格常数a＝1μm。
4.根据权利要求1所述的基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导，其特征在于，所述光子晶体波导结构上半部分由3层拓扑平庸晶胞排列构成，下半部分由3层拓扑非平庸晶胞构建排列构成。
5.根据权利要求1所述的基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导，其特征在于，所述光子晶体波导结构中激励源为携带正轨道角动量的点源，放置在平庸与非平庸光子晶体的边界上。
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