CN110941109A - 一种硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件。本发明通过调整线缺陷光子晶体模块和拓扑非平庸低群速度光子晶体模块的边界态，实现对低群速度边界态的激发和耦合调控。本发明采用具有低群速度的线缺陷光子晶体波导作为过渡耦合结构，以在降低耦合损耗的同时匹配群速度。本发明在光子晶体中传播的边界态具有较小的群速度，具有良好的局域性，从而大大降低器件尺寸，具有较小的损耗；可以较为便捷的获得TE偏振的隔离器；并且可以通过设计获得陡峭的弯折传输。本发明提供了光隔离器件的新机理；可以显著提高加工容差，具有良好的稳定性和可拓展性；可利用半导体工艺对该设计进行片上集成。

Description

一种硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件。
背景技术
集成光学中片上集成的光隔离器具有单向导通的特点，可以抑制光通信，光互连系统中的反射光进入激光器，显著降低器件的强度和相位噪声。传统的光隔离器通常为分立器件，其体积庞大，制备成本较高，难以集成，无法像电路中的非互易器件一样运用半导体生产方式低成本批量制备[1]。
拓扑光子学为集成光隔离器的研制提供了新思路，拓扑光子学是一门新兴的学科，它将传统的光学研究与拓扑概念相结合，用固体物理学中发现的物质拓扑相理论结合光子晶体能带理论重新研究传统光学，利用拓扑保护带来的非互易特性和鲁棒性，可以实现单向传播的边界态。在过去的十年中，将拓扑的概念和电磁波结合，使拓扑光子学得到巨大的发展[2]。
发展硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件，不仅可以利用拓扑保护的非平庸的边界态构建单向传播的光隔离器来实现片上非互易元器件，而且由于光子晶体的周期性结构，甚至可以实现陡峭的弯折传输，从而显著降低器件尺寸实现硅基集成的光隔离器，因此是值得研究开发的。然而，由于在光通信频域中缺乏具有强磁光效应的磁光材料[3,4]，非平庸的拓扑边界态在光通信波段难以实现。因此发展基于弱磁光效应材料的硅基拓扑光隔离器结构，对于磁光隔离器的单片集成具有重要意义。
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发明内容
针对上述存在问题，为了解决现有光隔离器件无法实现在光通信波段非平庸的拓扑边界态的技术问题，本发明提供了一种硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件。
一种硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件，包括拓扑非平庸低群速度光子晶体模块和线缺陷光子晶体模块。(拓扑保护是指通过光子能带的设计，利用磁性材料打破时间反演对称性，获得具有非零陈数|ΔC|≠0的非平庸带隙，并通过改变边界形状构造边界态。由于体表对应原理,若|ΔC|＝1，则该边界态为一拓扑保护的单向传播的边界态)
(1)拓扑非平庸低群速度光子晶体模块：涉及到两种具有二维周期对称性的光子晶体共同组成的界面结构(如图2左下插图中所示圆孔结构和圆柱结构边界为界限)，边界以下为第一种光子晶体用以构造二维布里渊区中的狄拉克点，边界以上为第二种光子晶体用以为狄拉克点提供带隙结构。上述两种光子晶体共同构成了该光子晶体模块用以和线缺陷光子晶体模块进行耦合。
边界以下的第一种光子晶体的原胞如图1左图所示，第一种光子晶体用以构造在TE模式下在二维布里渊区的高对称点K点的狄拉克点，并且使得二维布里渊区的高对称点M点的特征频率高于狄拉克点频率以获得直接带隙；通过磁光材料所具备的磁光效应打开狄拉克点，以获得具有非零陈数的非平庸带隙。
其原胞由折射率εhigh>8的介质材料排列成的六角环状蜂窝式二维周期性结构嵌入磁光效应δ/εxx>0.01的磁光材料中组成的三角晶格光子晶体，δ为磁光材料介电张量非对角元，εxx为磁光材料介电张量对角元；构成第一种光子晶体原胞的介质柱的半径r1为0.30a～0.31a，其中a为光子晶体的晶格常数，指光子晶体原胞的边长(如图1左图中的原胞里指距离最近的两个介质柱圆心的距离)。
同时为了确保这些表面状态不会耦合到外部区域，我们使用具有空气孔组成三角晶格在上述狄拉克点处构建一个TE带隙，边界以下的第二种光子晶体的原胞如图1右图所示，第二种光子晶体为狄拉克点提供带隙结构，其原胞由折射率εair＝1的空气孔排列成的六角环状蜂窝式二维周期性结构嵌入折射率εhigh>8的的介质材料中组成的三角晶格光子晶体构成。空气孔的半径r2据此设置为0.475a～0.49a，其中a为光子晶体的晶格常数，指光子晶体原胞的边长。
在构建第一种光子晶体和第二种光子晶体的边界时，我们需要在两种周期性排布的光子晶体结构中保持介质柱和空气孔的位置不变，使边界处所有介质柱和空气孔的中心都位于同一晶格上，通过调整边界的位置以获得具有非零陈数的拓扑保护的低群速度非平庸边界态。该边界态离体能带较远局域性好，易于耦合，故可达到大幅降低耦合损耗和器件尺寸的目的。
线缺陷光子晶体模块用以和拓扑非平庸低群速度光子晶体模块进行耦合。
(2)所述线缺陷光子晶体模块有两块，分别位于拓扑非平庸低群速度光子晶体模块两侧。
线缺陷光子晶体模式在光子晶体能带带隙(PBG)范围内会因为相互作用产生低群速度，线缺陷光子晶体模块由折射率εair＝1的空气孔排列成的六角环状蜂窝式二维周期性结构嵌入高折射率εhigh>8的介质材料来构建，且所用介质材料与第二种光子晶体的介质材料相同；通过移除边界处的一列光子晶体以获得线缺陷光子晶体波导，通过调整线缺陷光子晶体波导的宽度与外接单模波导的宽度相等以调整线缺陷光子晶体边界态的色散，从而达到匹配单模波导和上述拓扑非平庸低群速度光子晶体模块边界态的目的。
所述拓扑非平庸低群速度光子晶体的边界，线缺陷光子晶体波导中心，外接单模波导中心，三者位于同一直线上；所述线缺陷光子晶体模块和拓扑非平庸低群速度光子晶体模块的边界为连续边界。
在构建具有线缺陷的光子晶体模块和拓扑非平庸低群速度光子晶体模块的边界时，我们需要保持边界上不存在不连续边界，以防止产生新的边界态影响器件性能。由上述结构，通过调整具有线缺陷光子晶体模块和拓扑非平庸低群速度光子晶体模块，即可实现对低群速度边界态的激发和耦合调控，从而实现光隔离。
进一步的，本发明设计在通信波长，故将a设置为706.5nm(在材料色散可以忽略时，改变a只会改变器件的工作波长)。
本发明通过调整具有线缺陷的光子晶体模块和拓扑非平庸低群速度光子晶体模块的边界态，实现对低群速度边界态的激发和耦合调控。由于当电磁波入射到具有不同的有效折射率和不同的群速度的界面时，会产生较大的耦合损耗。故本器件采用具有低群速度的线缺陷光子晶体波导作为过渡耦合结构，以在降低耦合损耗的同时匹配群速度。
本发明的主要优势是:(1)在光子晶体中传播的边界态具有较小的群速度，因此可以获得良好的局域性，从而大大降低器件尺寸；(2)采用光子晶体能带设计得到的拓扑保护的单向传输光隔离器件，可以较为便捷的获得TE偏振的隔离器；(3)输入信号通过群速度匹配结构与拓扑保护的单向传输的边界态耦合可以得到较小的损耗；(4)具有C6对称性的光子晶体可以通过设计获得陡峭的弯折传输。
综上所述，本发明提供了光隔离器件的新机理；通过拓扑平台结构，有效减小了器件体积，降低了加工难度，可以显著提高加工容差，具有良好的稳定性和可拓展性；可利用半导体工艺对该设计进行片上集成。
附图说明
图1为实施例硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件中光子晶体的原胞结构示意图；
图2为实施例硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件的三维结构示意图；
图3为实施例硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件的二维TE偏振模式隔离示意图；
图4为实施例硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件仿真得到的正向与反向透射谱；
图5为实施例硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件中的正反向非互易传播的磁场z分量分布图。
具体实施方式
如背景技术部分中所述，由于在光通信频域中缺乏具有强磁光效应的磁光材料，非平庸的拓扑边界态在光通信波段难以实现。因此发展基于弱磁光效应材料的硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件，对于磁光隔离器的单片集成具有重要意义。另外，因传统的TE模式偏振设计MZI,MMI等隔离器需侧壁沉积磁光材料，工艺难度大，器件性能也较差。
本发明以通过光子晶体的能带设计的方法，调节光子晶体的边界态能带便捷的获得TE模式偏振的隔离器件，实现光隔离器件，为片上光电集成提供了一种新的思路。
为了实现上述良好特性，本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：采用新型拓扑保护的非平庸低群速度光子晶体结构及线缺陷光子晶体结构，通过调整线缺陷光子晶体结构实现对低群速度边界态的激发和耦合调控。对于低群速度边界态设计，采用由高折射率的介质柱呈蜂窝状结构排列嵌入低折射率磁光材料(包含但不限于铈元素掺杂的钇铁石榴石薄膜)中组成的二维周期性排布的光子晶体构建拓扑保护的非平庸低群速度边界态，对于耦合结构，采用低群速度线缺陷光子晶体模式通过调整光子晶体波导的宽度可以调整线缺陷光子晶体边界态的色散，从而达到匹配单模硅波导和光子晶体边界态的目的。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述。
本发明主要设计了硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件，对于TE模式的偏振光，一种优选的实例，工作在1550nm通信频域波长,其原胞结构如图1所示，其中用以构建狄拉克点和拓扑非平庸带隙的结构由高折射率的介质柱呈蜂窝状结构排列嵌入具有较大磁光效应磁光材料(钇铁石榴石薄膜)中组成。用以确保这些表面状态不会耦合到外部区域的结构由低折射率空气孔呈蜂窝状结构排列嵌入高折射率的硅中组成的周期性排布的三角晶格光子晶体构成。
由这两种原胞构和波导构成的硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件的三维结构(如图2所示)，图中左下角插图中代表拓扑保护的非平庸低群速度边界态结构，右上角插图代表线缺陷光子晶体耦合结构，硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件的二维俯视图和TE偏振模式隔离示意图如图3所示，其中磁化方向H与二维光子晶体平面垂直，图中箭头表示了其单向传播的非互易性。
在该频段，使用此硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件可以实现单向传播的隔离器功能，其中隔离度达30dB,插入损耗0.81dB(如图4所示)，正反向非互易传播的磁场z分量分布由图5给出，其中上图是正向传播，下图是反向传播，实现了单向传播的隔离特性。
综上可见，本发明提供了光隔离器件的新机理；通过拓扑平台结构，有效减小了器件体积，降低了加工难度，可以显著提高加工容差，具有良好的稳定性和可拓展性；可利用半导体工艺对该设计进行片上集成。

Claims (4)

1.一种硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件，包括拓扑非平庸低群速度光子晶体模块和线缺陷光子晶体模块，其特征在于：
所述拓扑非平庸低群速度光子晶体模块：涉及到两种具有二维周期对称性的光子晶体共同组成的界面结构；
第一种光子晶体用以构造在TE模式下在二维布里渊区的高对称点K点的狄拉克点，并且使得二维布里渊区的高对称点M点的特征频率高于狄拉克点频率以获得直接带隙；通过磁光材料所具备的磁光效应打开狄拉克点，以获得具有非零陈数的非平庸带隙；
其原胞由折射率εhigh>8的介质材料排列成的六角环状蜂窝式二维周期性结构嵌入磁光效应δ/εxx>0.01的磁光材料中组成的三角晶格光子晶体，δ为磁光材料介电张量非对角元，εxx为磁光材料介电张量对角元；构成原胞的介质柱的半径r1为0.30a～0.31a，其中a为光子晶体的晶格常数，指光子晶体原胞的边长；
第二种光子晶体为狄拉克点提供带隙结构，其原胞由折射率εair＝1的空气孔排列成的六角环状蜂窝式二维周期性结构嵌入折射率εhigh>8的的介质材料中组成的三角晶格光子晶体构成；空气孔的半径r2据此设置为0.475a～0.49a，其中a为光子晶体的晶格常数，指光子晶体原胞的边长；
上述两种光子晶体的边界，需在两种周期性排布的光子晶体结构中保持边界处所有介质柱和空气孔的中心都位于同一晶格上，通过调整边界的位置以获得具有非零陈数的拓扑保护的低群速度非平庸边界态；
线缺陷光子晶体模块用以和拓扑非平庸低群速度光子晶体模块进行耦合；
所述线缺陷光子晶体模块有两块，分别位于拓扑非平庸低群速度光子晶体模块两侧；
线缺陷光子晶体模块由折射率εair＝1的空气孔排列成的六角环状蜂窝式二维周期性结构嵌入高折射率εhigh>8的介质材料来构建，且所用介质材料与第二种光子晶体的介质材料相同；通过移除边界处的一列光子晶体以获得线缺陷光子晶体波导，通过调整线缺陷光子晶体波导的宽度与外接单模波导的宽度相等以调整线缺陷光子晶体边界态的色散，从而达到匹配外接单模波导和上述拓扑非平庸低群速度光子晶体模块边界态的目的。
所述拓扑非平庸低群速度光子晶体的边界，线缺陷光子晶体波导中心，外接单模波导中心，三者位于同一直线上。
所述线缺陷光子晶体模块和拓扑非平庸低群速度光子晶体模块的边界为连续边界。
2.如权利要求1所述硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件，其特征在于：a为706.5nm，设计在通信波长。
3.如权利要求1所述硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件，其特征在于：所述折射率εhigh>8的介质材料为硅。
4.如权利要求1所述硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件，其特征在于：所述磁光材料为铈元素掺杂的钇铁石榴石薄膜。
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