CN112147805A - 一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构 - Google Patents

一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，包括上金属板、下金属板、波导、背景材料和壳体；上金属板和下金属板设置于壳体内，波导设置于上金属板和下金属板之间，波导由A部分和B部分组成，A部分由具有平庸拓扑性质的晶胞排列构成，B部分由具有非平庸拓扑性质的晶胞排列构成，所有晶胞均由六个半径为0.12a的圆柱形介质柱排列构成，晶胞的横截面为正六边形，晶胞的中心到晶胞内圆柱形介质柱的距离半径为R，相邻两个晶胞的中心间距为晶格常数a，平庸拓扑性质的晶胞满足a/R＝3.36，非平庸拓扑性质的晶胞满足a/R＝2.8，本发明解决传统波导光子局域性弱、传输效率低以及无法调控频率的问题。

Description

一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构
技术领域
本发明涉及光子晶体光波导结构，尤其涉及一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构。
背景技术
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，拓扑光子晶体成为了当前研究的热点。基于C6对称性蜂窝状光子晶体结构，无需外加磁场或者低温情况下，就可实现光子带隙从闭合到打开的能带反转，出现受拓扑保护的边缘态。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、可调自旋开关等应用提供了新的方向。
目前，单向传输的拓扑边界态受到了极大的关注。然而，目前的研究中，多数以空气作为背景材料，实现光的单向传输。这使得在光学器件结构中，只能在某一固定频率带宽中实现对光的调控。
因此，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
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，以克服传统波导光子局域性弱、传输效率低以及无法调控频率的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，包括上金属板、下金属板、若干圆柱形介质柱、背景材料和壳体；
所述上金属板和所述下金属板设置于所述壳体内，若干圆柱形介质柱设置于所述上金属板和所述下金属板之间，所述圆柱形介质柱的两端分别与所述上金属板和所述下金属板连接，所述背景材料为液晶材料；
若干圆柱形介质柱分为A部分和B部分，A部分由具有平庸拓扑性质的晶胞排列构成，B部分由具有非平庸拓扑性质的晶胞排列构成，所有晶胞均由六个半径为0.12a的圆柱形介质柱排列构成，晶胞的横截面为正六边形，晶胞的中心到晶胞内圆柱形介质柱的距离半径为R，相邻两个晶胞的中心间距为晶格常数a，平庸拓扑性质的晶胞满足a/R＝3.36，非平庸拓扑性质的晶胞满足a/R＝2.8。
优选地，所述圆柱形介质柱的材料为普通硅材料，折射率为3.42，所述圆柱形介质柱的高度为2a。
优选地，所述背景材料为E7液晶材料，在所述上金属板和所述下金属板之间无外加电压的情况下，所述背景材料的折射率为1.51，在所述上金属板和所述下金属板之间有外加电压的情况下，所述背景材料的折射率为1.69。
优选地，所述上金属板和所述下金属板的长均为16a，宽均为6.2a。
优选地，a＝800nm。
优选地，A部分由三层具有平庸拓扑性质的晶胞排列构成，B部分由四层具有非平庸拓扑性质的晶胞排列构成。
与传统光子晶体波导结构相比，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明提供的光子晶体光波导结构以液晶材料为背景，E7液晶材料作为背景材料制备技术成熟，价格低，介质柱材料为硅，材料广泛，成本低。该结构只需要通过改变外加电压，就可以实现对光子带隙的改变，实现了光子晶体在不同频率下的调控；另外该拓扑结构可减少散射到光子晶体内部的光，提高波导的传输效率；由于光路在两不同界面处，该波导结构的光子局域性较好，背向散射受到了强烈的抑制，可实现鲁棒性好的单向传输。
2)本发明提供的光子晶体光波导结构主要是通过改变背景液晶分子材料的向列性，从而改变其折射率，实现调控工作带宽以及工作频率的目的。也可以根据实际要求，通过调整晶格参数，达到在实际应用中可根据实际需求，设计出可调控频率及带宽传输的结构。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3(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(a为晶格常数)，图3(b)为标准蜂窝状光子晶体(a/R＝3)结构示意图，图3(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；
图4(a)为本发明提供的可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构的超胞结构示意图，图4(b)为图4(a)超胞液晶折射率为1.51是所对应色散关系曲线，图4(c)为图4(a)超胞结构在E7液晶折射率为1.69时所对应色散关系曲线。
图5(a)为归一化频率为0.454(2πc/a)的电磁波在图2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(黑色星星)激励，图5(b)为图5(a)所对应的波印廷矢量
Figure BDA0002650999040000031
的分布；
图6(a)为归一化频率为0.443(2πc/a)的电磁波在图2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(黑色星星)激励，图6(b)为图6(a)所对应的波印廷矢量
Figure BDA0002650999040000032
的分布。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构的结构示意图。
请参阅图1至图3，根据本发明实施例的一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，包括上金属板、下金属板、若干圆柱形介质柱、背景材料和壳体。
具体地，壳体由绝缘体材料制作，壳体为一个封闭结构，上金属板、下金属板、若干圆柱形介质柱和背景材料均位于壳体内，若干圆柱形介质柱位于上金属板和下金属板之间，上金属板和所述下金属板的长均为16a，宽均为6.2a，a＝800nm。
圆柱形介质柱的两端分别与上金属板和下金属板连接，圆柱形介质柱的材料为普通硅材料，折射率为3.42，圆柱形介质柱的高度为2a。若干圆柱形介质柱形成A部分和B部分，A部分由三层具有平庸拓扑性质的晶胞排列构成，B部分由四层具有非平庸拓扑性质的晶胞排列构成，如图2所示，所有晶胞均由六个半径为0.12a的圆柱形介质柱排列构成，晶胞的横截面为正六边形，晶胞的中心到晶胞内圆柱形介质柱的距离半径为R，相邻两个晶胞的中心间距为晶格常数a，平庸拓扑性质的晶胞满足a/R＝3.36，非平庸拓扑性质的晶胞满足a/R＝2.8。在平庸与非平庸交接处，可以通过携带轨道角动量为+1(或-1)的激励源，激励电磁波用以实现能流在平庸与非平庸交界处单向螺旋传输。
背景材料为液晶材料，作为优选，背景材料为E7液晶材料，通过在上金属板和下金属板之间外加电压(阈值电压)，可改变液晶的各向异性。在上金属板和下金属板之间无外加电压的情况下，背景材料的折射率为1.51，在上金属板和下金属板之间有外加电压的情况下，背景材料的折射率为1.69。通过外加电压从而在一种光子晶体结构中实现了两种可用的工作频率，实现了频率可调控。这些折射率比硅的折射率低很多，从而可在光子晶体的内部形成光的禁带，因此可以将其降为2D模式研究。
由于液晶可通过外加电压改变其折射率，在对图4(a)分别进行参数化扫描，得到折射率为1.59时的色散曲线图，如图4(b)所示，以及折射率为1.69时的光子晶体超胞色散图，如图4(c)所示。根据色散曲线的结果表明，在同一光子晶体结构中，由于背景材料的折射率发生改变，导致该结构的色散曲线带隙同样的发生变化，从而可选用的工作频率也发生变化。在折射率为1.59时，可用工作频率带宽为0.09(2πc/a)，其中0.451(2πc/a)和0.46(2πc/a)为该工作频率带宽最小和最大可用工作频率。当折射率为1.69时，工作带宽为0.06(2πc/a)，其中0.442(2πc/a)和0.448(2πc/a)为该工作频率带宽最小和最大可用工作频率。
图5为液晶材料折射率为1.51时的电磁波场的分布，图7对应折射率为1.69时的电磁波场的分布，结果表明，能流可以在轨道角动量为-1的谐振源的激励下向右传输，同时该拓扑结构的后向散射几乎为0。如图5(a)、6(a)所示，能流主要集中在平庸非平庸结构的交界处，而散射到结构中的能流也逐渐被两种结构交界处的结构吸收。
如图5(b)、6(b)所示，显示了能流的螺旋传输特征，具有轨道角动量的激励源，在平庸于非平庸界面处，激励着一个在边界处沿着半圆单向传输的能流，实现了局域性更好、自导性更强、传输效率高的光子晶体光波导结构。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，其特征在于，包括上金属板、下金属板、若干圆柱形介质柱、背景材料和壳体；
所述上金属板和所述下金属板设置于所述壳体内，若干圆柱形介质柱设置于所述上金属板和所述下金属板之间，所述圆柱形介质柱的两端分别与所述上金属板和所述下金属板连接，所述背景材料为液晶材料；
若干圆柱形介质柱分为A部分和B部分，A部分由具有平庸拓扑性质的晶胞排列构成，B部分由具有非平庸拓扑性质的晶胞排列构成，所有晶胞均由六个半径为0.12a的圆柱形介质柱排列构成，晶胞的横截面为正六边形，晶胞的中心到晶胞内圆柱形介质柱的距离半径为R，相邻两个晶胞的中心间距为晶格常数a，平庸拓扑性质的晶胞满足a/R＝3.36，非平庸拓扑性质的晶胞满足a/R＝2.8。
2.根据权利要求1所述的可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，其特征在于，所述圆柱形介质柱的材料为普通硅材料，折射率为3.42，所述圆柱形介质柱的高度为2a。
3.根据权利要求1所述的可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，其特征在于，所述背景材料为E7液晶材料，在所述上金属板和所述下金属板之间无外加电压的情况下，所述背景材料的折射率为1.51，在所述上金属板和所述下金属板之间有外加电压的情况下，所述背景材料的折射率为1.69。
4.根据权利要求1所述的可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，其特征在于，所述上金属板和所述下金属板的长均为16a，宽均为6.2a。
5.根据权利要求4所述的可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，其特征在于，a＝800nm。
6.根据权利要求1所述的可调控拓扑光子晶体边界态的光波导结构，其特征在于，A部分由三层具有平庸拓扑性质的晶胞排列构成，B部分由四层具有非平庸拓扑性质的晶胞排列构成。
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