CN112540427A - 一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导 - Google Patents

一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，由PCI压缩晶格和PCII扩展晶格组成，PCI压缩晶格的本征态p±位于光子带隙的上方，本征态d±位于光子带隙的下方；PCII扩展晶格的本征态p±位于光子带隙的下方，本征态d±位于光子带隙的上方；从PCI压缩晶格到PCII扩展晶格出现能带反转；使用超原胞的方法将PCI压缩晶格和PCII扩展晶格堆叠在一起形成波导结构，在波导结构的布里渊区的光子带隙中出现缺陷边缘态，在PCI压缩晶格和PCII扩展晶格的交界处传输受拓扑保护的电磁波。本发明在其具有相反拓扑特性结构交界面处传输受拓扑保护的单向传播边缘态，该传输波导对结构缺陷，材料杂质等微扰具有很强的鲁棒性，克服传统波导在受到材料缺陷等微扰时会出现非常大的能量损失。

Description

一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导
技术领域
本发明涉及太赫兹功能器件领域，尤其涉及一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导。
背景技术
随着5G通讯正式进入商用，使物联网、虚拟现实、网络支付等应用的实现成为可能。然而，远程医疗和自动驾驶等高精度领域往往需要更高的传输速度，为了进一步提高传输速度需要对6G通讯做进一步的前瞻性研究。太赫兹波段就是6G无线通信的关键，太赫兹电磁波[1]介于微波和红外波段之间，其频率范围在0.1-10THz(对应的波长范围为0.03-3mm)，其极高的频率大大的提高了传输速度。但太赫兹功能器件的匮乏极大地限制了太赫兹科学技术的发展，因此太赫兹波导等功能器件的研发对推动太赫兹技术发展有着至关重要的作用。
随着量子霍尔效应在凝聚态物理中的深入研究，一种在边界上支持能量传输，内部却表现为绝缘体性质的拓扑绝缘体引起了极大的关注。同时，随着人工超材料的发展，为一类可以产生受拓扑保护的单向传播边缘态的新型拓扑传输波导提供了重要契机。量子霍尔效应是拓扑在凝聚态物理中的第一个应用例子，德国物理学家Von Klitzin在1980年发现在低温强磁场的条件下，二维电子气被限制在一层极薄的平面内，且电导率呈现在一层层整数的台阶上的量子霍尔效应[2]。1988年，美国加州大学的D.H.Haldane意识到实现量子化平台的本质是打破时间反演对称性，并首次提出了不需要外加磁场的量子霍尔效应[3]。2005年美国宾夕法尼亚大学的E.J.Mele和C.L.Kane等人理论上提出了石墨烯结构可实现量子自旋霍尔效应[4]，但由于石墨烯结构的能带隙太小一直无法实验验证。2006年，美国华人物理学家张首晟也同时独立提出了在HgTe/CdTe量子阱体系中可能存在量子自旋霍尔效应，即，在无外加磁场的情况下，考虑系统的自旋轨道耦合效应，得到一对共轭的自旋相反的边缘态[5,6]。
近年来，随着人工超材料的不断发展和光子晶体体系的日益完善，拓扑态的概念逐渐延伸到光子领域。2008年，美国普林斯顿大学的F.D.M.Haldance和S.Raghu首次将拓扑的概念引入到光子学领域，提出了使用旋电材料的光子晶体可实现类似的量子霍尔效应[7,8]。通过外加磁场会打破光子晶体的时间反演对称性，打开位于动量空间布里渊区的K(K’)的Dirac点，并产生一条完整的带隙，形成TE偏振模式(只有垂直平面的磁场分量，其他分量为零)的单向传播表面态。同年，麻省理工学院的Zheng Wang等人提出在旋磁材料的四方晶格组成的光子晶体存在类似的光学量子霍尔边缘态[9,10]。
光学量子霍尔边缘态的发现，让学者们开始考虑如何实现光学量子自旋霍尔边缘态。通过大量的研究发现，在光子体系下引入“赝自旋”来模拟电子自旋相关的Kramers简并成为实现边缘态的关键。2011年，马克兰大学的Hafezi等人首次提出了光学自旋霍尔效应[11,12]。光学系统由二维环形谐振腔构成，谐振腔之间通过耦合器来连接。利用谐振腔内两种顺时针和逆时针的传播模式来构成系统的赝自旋。2013年，德克萨斯大学奥斯汀分校A.B.Khanikaev理论上提出利用双各向异性超材料将TE±TM偏振模式作为赝自旋：ψ±＝Ez±Hz，将电磁耦合类比电子自旋轨道效应来实现量子自旋霍尔效应[13]。但上述讨论的光学量子自旋霍尔边缘态都需要使用特殊材料通过精心设计的复杂结构来实现，因其需要的材料较特殊，结构较复杂而很难在实验上实现。2015年，日本国立材料研究所Long-Hua Wu等人首次基于类石墨烯晶格的C6v对称性，在保持时间对称性的前提下，提出了一种拓扑光子晶体[14]，该光子晶体通过堆叠具有相反拓扑特性的结构，在其边界处实现受拓扑保护的单向传播边缘态。
综合以上的背景技术，本发明基于光学量子自旋霍尔效应和点群理论，利用布洛赫态间的模式自由度
Figure BDA0002817553870000021
来类比系统的赝自旋态，实现太赫兹波段的传输波导。
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发明内容
本发明提供了一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，本发明在其具有相反拓扑特性结构交界面处传输受拓扑保护的单向传播边缘态，该传输波导对结构缺陷，材料杂质等微扰具有很强的鲁棒性，克服了传统波导在受到材料缺陷等微扰时会出现非常大的能量损失；.同时，可克服电磁波在传统的波导中传输时，当传播方向突然改变，散射和损耗会很大的问题，本波导在大规模集成电路领域具有很大的应用前景，有很强的科研和实际价值，详见下文描述：
一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，所述波导由PCI压缩晶格和PCII扩展晶格组成，
PCI压缩晶格的本征态p±位于光子带隙的上方，本征态d±位于光子带隙的下方；
PCII扩展晶格的本征态p±位于光子带隙的下方，本征态d±位于光子带隙的上方；
从PCI压缩晶格到PCII扩展晶格出现能带反转；
使用超原胞的方法将PCI压缩晶格和PCII扩展晶格堆叠在一起形成波导结构，在波导结构的布里渊区的光子带隙中出现缺陷边缘态，在PCI压缩晶格和PCII扩展晶格的交界处传输受拓扑保护的电磁波。
其中，所述波导包括：金属基底和金属圆柱型结构：
使用Comsol软件计算PCI压缩晶格和PCII扩展晶格的色散关系，获取金属圆柱型结构的晶格常数，圆柱半径，晶格中心到晶格圆心的距离。
进一步地，所述波导还包括：
使用CST仿真软件观察电磁波的传输情况，用电偶极子谐振的dipole源边界面最左侧激发出表面波，在波导结构的上方预设距离处设置探针探测电磁波在波导的传输情况。
其中，所述波导为直线型和zigzag型传输波导。
进一步地，所述波导采用光刻工艺，使用真空蒸镀在已刻圆柱型结构的硅基片上镀一层均匀的金属金膜，所述波导为全金属结构。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明的传输波导可以把近场表面波很好的局域在两种结构的界面处，且该表面波是受拓扑保护的单向传播边缘态，该传输波导对结构缺陷、材料杂质和结构弯曲等微扰免疫有很强的鲁棒性，克服了传统波导在受到结构缺陷等微扰的影响会有很大的信号损失问题；
2、电磁波在传统波导沿着转角进行传播时会有很强的信号损失，而电磁波沿着本发明的波导在界面处进行传输时会受到拓扑保护，沿着转角进行传播也几乎不会产生能量损失，在大规模集成电路等领域中具有很大的应用前景；
3、本发明基于光学量子自旋霍尔效应和点群理论，通过集成具有相反拓扑特性的单元结构组成太赫兹传输波导，该波导传播的电磁波是受拓扑保护的单向边缘态，在大规模集成电路领域中具有非常大的应用前景。
附图说明
图1为本发明传输波导的结构示意图；
其中，(a)为透视图；(b)为左视图；(c)为前视图。
图2为本发明的(a)直线型传输波导和(b)zigzag型传输波导的俯视图；
图3为PCΙ和PCΙΙ基本单元结构的示意图；
图4为本发明传输波导的基本结构的能带结构和超原胞的色散关系图；
其中，(a)(b)分别为PCΙ和PCΙΙ晶格单元的能带结构；(c)(d)为超原胞的结构图和超原胞沿波矢kx方向的色散关系。
图5为电磁波在本发明的(a)直线型传输波导和(b)zigzag型传输波导的传输情况。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例基于光学量子自旋霍尔效应和点群理论，通过将具有相反拓扑特性的结构单元进行堆叠，构建了一个太赫兹波段工作的拓扑金属传输波导，该波导传输的单向传播边缘态是受拓扑保护的，且对结构缺陷、结构弯曲和材料杂质等微扰具有很强的鲁棒性，这是本发明实施例的关键点。
本发明实施例的传输波导单元结构的色散关系由商用仿真软件ComsolMultiphysics数值计算得到，筛选出具有相反拓扑特性的结构参数，该发明波导中电磁波的传输情况由CST Microwave Studio软件模拟仿真，得到不同频率下的电磁波在此波导的传输效率和分布。波导由传统微纳加工的光刻工艺制得。
本发明实施例中传播的电磁波为近场边缘波(表面波)，大部分的边缘波都被束缚在波导内部或波导的上方，该边缘波由电偶极子谐振的dipole源激发，选用dipole源的原因是该光源的光斑很小，可以高效的激发近场边缘波。边缘波由在传输路径上设置的探针探测，可以观察到边缘波的传播情况。
本发明实施例设计的传输波导由两种基本结构单元组成，PCI压缩晶格和PCII扩展晶格。金属圆柱型结构的晶格常数a＝346μm，金属圆柱的半径r＝0.18a＝36μm，圆柱的高度h＝110μm。在PCI压缩晶格中，六角晶格中心到圆柱圆心的距离R1＝104μm，晶格常数与晶格中心到圆柱圆心距离的比值为a/R1＝3.333；在PCII扩展晶格中，六角晶格中心到圆柱圆心的距离R2＝108μm，晶格常数与晶格中心到圆柱圆心距离的比值为a/R2＝2.777。
PCI压缩晶格(a/R＝3.333)和PCII扩展晶格(a/R＝2.777)的能带结构相似，都会在动量空间的第一布里渊区出现一条完整的光子带隙。但对于PCI压缩晶格，本征态p±位于光子带隙的上方，本征态d±位于光子带隙的下方；对于PCII扩展晶格，本征态p±位于光子带隙的下方，本征态d±位于光子带隙的上方，从PCI压缩晶格到PCII扩展晶格会出现能带反转，即PCI压缩晶格和PCII扩展晶格的拓扑特性是相反的。使用超原胞的方法，将具有相反拓扑特性的两种结构堆叠在一起，在其布里渊区的光子带隙中观察到新出现的缺陷边缘态。基于这种方法，可以设计任意传播路径的波导结构。
具体的实施方法为：
一种基于光学量子自旋霍尔效应的金属圆柱型太赫兹传输波导由两层结构组成，厚度d＝5mm的基底和高度为h＝110μm的金圆柱型结构。结构由PCI压缩晶格(a/R＝3.333)和PCII扩展晶格(a/R＝2.777)两种基本单元构成。
使用Comsol软件计算两种单元结构的色散关系，得到金属圆柱型结构的晶格常数a，圆柱半径r，晶格中心到晶格圆心的距离R等参数最优的数值。
CST仿真软件观察电磁波在两种波导的传输情况，用电偶极子谐振的dipole源边界面最左侧激发出表面波，在结构的上方约30μm处设置探针探测电磁波在波导的传输情况。
利用传统微纳加工的光刻工艺制作上述两种设计好的传输波导。
本发明实施例设计的直线型和zigzag型传输波导的尺寸分别为7.0×5.0mm和6.5×5.1mm，由基底和圆柱周期性排列的双层结构组成，其中基底的厚度为5mm，圆柱的高度为110μm。本发明实施例的波导采用光刻工艺制得，使用真空蒸镀的方法在已刻圆柱型结构的硅基片上镀一层均匀的金属金膜，因其镀膜深度大于其波段两倍的趋肤深度，此波导等效为全金属结构。直线型波导的基本单元结构数为20×16，zigzag型波导的基本单元结构数为19×17，即两种波导分别由约320和323个基本单元构成(参见图1和图2)。
实施例2
下面结合具体的实例对实施例1进行进一步地介绍，详见下文描述：
本发明实施例为一种二维金属圆柱型拓扑光子晶体结构(参见图1中(a)所示)，此波导具有两层结构：金属基底(如图1(b，c)中1所示)和金属圆柱型结构(如图1(b,c)中2所示)，其中，基底的厚度为d＝5mm；圆柱型结构的晶格常数为a＝346μm，圆柱的高度h＝110μm。此波导由两种基本的结构单元组成，PCI压缩晶格(a/R＝3.333)和PCII扩展晶格(a/R＝3.333)。直线型传输波导和zigzag型传输波导的俯视图参见图2，其中直线型波导的尺寸为7.0×5.0mm，由20×16个PCI和PCII基本单元组成；zigzag型传输波导的尺寸为6.5×5.1mm，结构单元数量为19×17。通过将两种PCI和PCII单元结构阵列拼接起来，进而形成本发明的传输波导，在两种结构单元阵列的交界处可以传输受拓扑保护的电磁波。
本发明实施例的传输波导由两种基本的单元结构阵列组成，PCI压缩晶格结构阵列和PCII扩展晶格结构阵列(参见图3所示)。在两种单元结构中，晶格常数a＝346μm，圆柱的半径r＝0.18a＝36μm，圆柱的高度h＝110μm。PCI压缩晶格的晶格中心到圆柱圆心的距离R1＝104μm，晶格常数与晶格中心到圆柱圆心距离的比值为a/R1＝3.333；PCII扩展晶格的晶格中心到圆柱圆心的距离R2＝108μm，晶格常数与晶格中心到圆柱圆心距离的比值为a/R2＝2.777；两种晶格单元的能带结构相似，都会在k空间产生一条完整的带隙(0.507-0.533THz)，但两种结构出现了能带反转，即PCI和PCII晶格具有相反的拓扑特性。利用超原胞的方法，将具有相反拓扑特性的PCI压缩晶格和PCII扩展晶格阵列拼接在一起，在其布里渊区的光子带隙中观察到新出现的缺陷边缘态(参见图4中A和B点所在的曲线)。
位于波导左侧的电偶极子谐振的dipole源激发近场边缘电磁波，观察电磁波在直线型和zigzag型波导的传播情况(参见图5所示)。在正常的空气背景下，0.52THz的边缘态沿着直线界面很好地进行单向传播，且无能量损失；在沿着具有转角的zigzag型波导进行传播时，边缘态也是受拓扑保护，可沿着转角进行单向传输，不会出现背散射和损耗等现象。
使用光刻工艺对设计好的两种传输波导进行加工。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，其特征在于，所述波导由PCI压缩晶格和PCII扩展晶格组成，
PCI压缩晶格的本征态p±位于光子带隙的上方，本征态d±位于光子带隙的下方；
PCII扩展晶格的本征态p±位于光子带隙的下方，本征态d±位于光子带隙的上方；
从PCI压缩晶格到PCII扩展晶格出现能带反转；
使用超原胞的方法将PCI压缩晶格和PCII扩展晶格堆叠在一起形成波导结构，在波导结构的布里渊区的光子带隙中出现缺陷边缘态，在PCI压缩晶格和PCII扩展晶格的交界处传输受拓扑保护的电磁波。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，其特征在于，所述波导包括：金属基底和金属圆柱型结构：
使用Comsol软件计算PCI压缩晶格和PCII扩展晶格的色散关系，获取金属圆柱型结构的晶格常数，圆柱半径，晶格中心到晶格圆心的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，其特征在于，所述波导还包括：
使用CST仿真软件观察电磁波的传输情况，用电偶极子谐振的dipole源边界面最左侧激发出表面波，在波导结构的上方预设距离处设置探针探测电磁波在波导的传输情况。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，其特征在于，所述波导为直线型和zigzag型传输波导。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，其特征在于，所述波导采用光刻工艺，使用真空蒸镀在已刻圆柱型结构的硅基片上镀一层均匀的金属金膜，所述波导为全金属结构。
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