CN112799259A - 一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其方法。本发明通过将单层TMD材料与拓扑光子晶体体系结合构成异质结复合体系，实现了激子的谷极化信息与光子拓扑态之间的信息转换，解决了谷极化信息寿命过短难以直接利用的问题，降低了对单层TMD材料中电子的谷极化信息的利用要求；本发明提出的对于电子的谷极化信息与光子拓扑态信息的转换体系，能够用于集成光电子芯片，作为光电信息转换的平台；针对不同的单层TMD材料的荧光发射波长不同，选择相应禁带的二维拓扑光子晶体，并对二维拓扑光子晶体的结构进行线性的缩放即可完成调整，节省了同类型器件的设计优化时间。

Description

一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其方法

技术领域

本发明涉及谷极化信息转换技术，具体涉及一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其转换方法。

背景技术

与自旋电子学利用电子的自旋自由度进行信息编码类似，谷电子学主要是利用过渡金属硫属化合物(TMD)在倒空间中的能谷自由度来实现信息的编码和处理。单层的TMD材料在倒空间里具有由能量简并的能谷(K和K’)构成的直接带隙，且基于能谷的选择定则决定了当左旋或右旋圆偏振光入射时，K或K’谷的电子被选择性地激发后跃迁到导带，和空穴形成谷极化激子，随后电子向下跃迁到价带与空穴复合，进而产生特定圆偏振的荧光发射。由此，能谷自由度可以被用作信息编码的基础，但是谷极化激子的寿命通常很短(<10ps)，极大的限制了谷极化信息的传输和处理。与谷极化激子相比，光子是更为理想的信息载体，不仅光与物质的相互作用更弱，信息传输与处理的速率也更快。因此，将单层TMD中的谷极化信息转换为光信号，再进行后续的传输和信息处理是一种可行的方案。这种电信号与光信号之间的转换要求光学系统能够和二维TMD材料构成复合体系，并且对于左旋圆偏振模式和右旋圆偏振模式有完全不同的光学响应。由等离激元纳米结构构成的超构材料作为一种人工材料，可以在外加光场耦合作用下引起表面电子的集体振荡，从而增强近场的电磁响应。手性纳米超构材料对于特定的圆偏振光具有高的耦合效率，而对相反的圆偏振光则耦合较弱，由此与单层TMD材料构成的异质结可以近场增强特定的圆偏振光的荧光强度。由于这种超构材料仅能对某一种特定的圆偏振光具有响应，且光信号无法在面内传输，不利于对TMD材料中谷极化信息的有效利用和后续的光信息处理。金属纳米线的等离激元传输模式具有特殊的倏逝场模式，这种模式与圆偏振光具有相同的自旋，因此可以与二维TMD材料构成异质结，实现TMD中谷极化信息与等离激元传输模式的转换。但是由于这种倏逝场的传输方向除了与光的偏振有关以外，还严格依赖于激发光与纳米线的相对位置，因此对于器件加工的要求比较高，同时金属表面等离激元的传输距离很短，不利于在器件中的应用。

光子晶体体系是构建集成微纳光学器件的重要平台，利用光子晶体的能带和禁带特性可以控制光在器件中的传输。频率位于光子晶体禁带中的光无法在光子晶体体内传输，因而将被限制在体系的边界或缺陷处，由此可以构建拓扑边界态或缺陷态波导等器件。在介质材料中构建光子晶体线缺陷波导可以显著降低传输损耗并有利于后续光学信息的处理，但是在这种线缺陷波导与二维TMD材料构成的异质结中同样需要精确控制激发光与波导的相对位置以实现对特定光学模式的有效耦合。此外，由于微纳加工精度的局限性，器件中的缺陷和杂质将会引起光的强烈的背向散射，从而严重影响器件性能。另一方面，光子晶体线缺陷波导不能适应大角度的弯折，也限制了其在光信息处理器件中的应用。

二维TMD材料中电子的能谷自由度可以被用于信息编码和信息处理，但是这种谷极化激子的寿命太短，不利于对谷极化信息的传输和处理。谷极化激子会辐射出具有圆偏振性的光子，将其耦合至光学系统中可以实现信息的转化，但普通光学体系对于圆偏振光的耦合难度高、效率低。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其转换方法。

本发明的一个目的在于提出一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件。

在倒空间具有特殊拓扑性质的光子晶体，也被称为光子拓扑绝缘体，由于其整体的拓扑保护性保证了正向传输模式在背向被禁止，因而可以实现拓扑边界态的大角度弯折，并且可以绕过局部缺陷和杂质。利用光子拓扑边界态与二维TMD材料构成的异质结，光信号的传输方向与光的圆偏振态锁定，同时拓扑保护性也能够大大提升器件的传输性能。

本发明的激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件包括：衬底、收缩型拓扑光子晶体、扩张型拓扑光子晶体、单层TMD材料、波导和耦合端；其中，在衬底上构建收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体，二者均采用二维拓扑光子晶体，二维拓扑光子晶体的禁带中心与单层TMD材料发射荧光中心波长相匹配；收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体分别包括多个晶格之间紧密排列的基本结构单元，每一个基本结构单元的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的空气孔，整体结构具有C₆对称性；在收缩型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应平凡的拓扑态；在扩张型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应非平凡的拓扑态；收缩型拓扑光子晶体与扩张型拓扑光子晶体整体相互拼接，构成拓扑光子晶体体系，并且在拼接处形成拓扑光子晶体体系的边界，在边界处的体能带禁带内出现两个反向传输的拓扑边界态，分别对应于两种不同的光子赝自旋，即左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的模式，并且被局域在边界附近沿边界单向传输；单层TMD材料转移至拓扑光子晶体体系的边界上，形成异质结复合体系；在衬底上并且位于拓扑光子晶体体系的边界的两端分别设置波导；在衬底上并且位于波导的输出端分别设置耦合端；当左旋圆偏振光或右旋圆偏振光入射至单层TMD材料时，激发单层TMD材料，选择性地引起K谷或K’谷的电子向导带跃迁并形成谷极化激子，随后电子向价带跃迁引起左旋或右旋圆偏振荧光的发射，荧光的偏振性反映了在单层TMD材料中的谷极化度，完成了谷极化的信息编码，并转换成为荧光信号；左旋或右旋圆偏振荧光与拓扑光子晶体体系中的两种光子赝自旋的模式相同，能够被耦合到拓扑光子晶体体系中，并且光子赝自旋与拓扑边界态的传输方向的一一对应保证了左旋圆偏振荧光和右旋圆偏振荧光在拓扑光子晶体体系的边界中向相反方向传输，从而实现了光信号的空间分离；进一步，通过连接到拓扑光子晶体体系的边界的波导，将光信号导出；并且利用波导，对传输的光信号进行调制和处理；最终的光信号经过耦合端输出；由此，单层TMD材料中谷极化激子所携带的二进制编码信息最终被转化为在拓扑光子晶体体系中向两个方向传输的拓扑边界态，即从激子的谷极化信息完成了向光子拓扑态信息的转换。

单层TMD材料采用MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂中的一种；厚度为0.5nm～1nm；平面尺寸为2μm×2μm～10μm×10μm。

收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体采用TiO₂或SiN_x；厚度为150nm～300nm；平面尺寸为3μm×3μm～10μm×10μm。基本结构单元的边长为180nm～500nm；基本结构单元中的正三角形的边长为80nm～400nm。收缩型拓扑光子晶体中六个正三角形与正六边形中心的距离为二维拓扑光子晶体周期1/3的0.9倍～0.98倍，扩张型拓扑光子晶体中六个正三角形与正六边形中心的距离为二维拓扑光子晶体周期1/3的1.02倍～1.1倍。

拓扑光子晶体体系沿边界的长度大于单层TMD材料的长度，即单层TMD材料不能覆盖到波导。

衬底采用SiO₂的玻璃片，厚度大于10μm。

波导包括：过渡段、直波导以及第一和第二空气孔；其中，过渡段的前端宽度大于后端宽度，过渡段的前端连接拓扑光子晶体体系的边界的一端，过渡段的后端连接直波导；直波导的后端连接耦合端；在直波导上开设两个圆形的通孔，形成第一和第二空气孔，第一和第二空气孔之间构成一个共振微腔；通过调节第一空气孔与第二空气孔之间的距离，使得荧光中心波长的透过率为最低值，对应光开关的“关”态。

本发明的另一个目的在于提供一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件的转换方法。

本发明的激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件的转换方法，包括以下步骤：

1)在衬底上形成介质薄膜；通过刻蚀介质薄膜，在介质薄膜内构建收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体，二者均采用二维拓扑光子晶体，二维拓扑光子晶体的禁带中心与单层TMD材料发射荧光中心波长相匹配；收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体分别包括多个晶格之间紧密排列的基本结构单元，每一个基本结构单元的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的空气孔，整体结构具有C₆对称性；在收缩型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应平凡的拓扑态；在扩张型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应非平凡的拓扑态；收缩型拓扑光子晶体与扩张型拓扑光子晶体整体相互拼接，构成拓扑光子晶体体系，并且在拼接处形成拓扑光子晶体体系的边界，在边界处的体能带禁带内出现两个反向传输的拓扑边界态，分别对应于两种不同的光子赝自旋，即左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的模式，并且被局域在边界附近沿边界单向传输；

2)将单层TMD材料转移至拓扑光子晶体体系的边界上，形成异质结复合体系；通过刻蚀介质薄膜在拓扑光子晶体体系的边界的两端分别形成波导；通过刻蚀介质薄膜在波导的输出端分别形成耦合端；

3)当左旋圆偏振光或右旋圆偏振光入射至单层TMD材料时，激发单层TMD材料，选择性地引起K谷或K’谷的电子向导带跃迁并形成谷极化激子，随后电子向价带跃迁引起左旋或右旋圆偏振荧光的发射，荧光的偏振性反映了在单层TMD材料中的谷极化度，完成了谷极化的信息编码，并转换成为荧光信号；

4)左旋或右旋圆偏振荧光与拓扑光子晶体体系中的两种光子赝自旋的模式相同，能够被耦合到拓扑光子晶体体系中，并且光子赝自旋与拓扑边界态的传输方向的一一对应保证了左旋圆偏振荧光和右旋圆偏振荧光在拓扑光子晶体体系的边界中向相反方向传输，从而实现了光信号的空间分离；

5)通过连接到拓扑光子晶体体系的边界的波导，将光信号导出；并且利用波导，对传输的光信号进行调制和处理；

6)最终的光信号经过耦合端输出；由此，单层TMD材料中谷极化激子所携带的二进制编码信息最终被转化为在拓扑光子晶体体系中向两个方向传输的拓扑边界态，即从激子的谷极化信息完成了向光子拓扑态信息的转换。

其中，在步骤2)中，介质薄膜采用TiO₂或SiN_x；厚度为150nm～300nm。

本发明的优点：

本发明通过将单层TMD材料与拓扑光子晶体体系结合构成异质结复合体系，实现了激子的谷极化信息与光子拓扑态之间的信息转换，解决了谷极化信息寿命过短难以直接利用的问题，降低了对单层TMD材料中电子的谷极化信息的利用要求；本发明提出的对于电子的谷极化信息与光子拓扑态信息的转换体系，能够用于集成光电子芯片，作为光电信息转换的平台；针对不同的单层TMD材料的荧光发射波长不同，选择相应禁带的二维拓扑光子晶体，并对二维拓扑光子晶体的结构进行线性的缩放即可完成调整，节省了同类型器件的设计优化时间。

附图说明

图1为本发明的激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件的拓扑光子晶体体系的示意图；

图2为本发明的激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件的一个实施例的整体俯视图；

图3为本发明的激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件的在波导中对导出的光信号进行信息处理的结构示意图；

图4为本发明的激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件的一个实施例的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

二维TMD材料(如MoS₂，MoSe₂，WS₂，WSe₂)在其倒空间中的带边位于K和K’能谷，这两个能谷能量简并但并不等价，在两个能谷中载流子布居的不同可以被用来存储二进制的信息。在单层TMD材料中，由于反演对称性的破缺会存在一个基于能谷的光学选择定则，即通过圆偏振光激发引起特定的能谷中激子的极化。具体来说，当左旋或右旋圆偏振光激发单层TMD材料时，会选择性地引起K谷或K’谷的电子向导带跃迁并形成谷极化激子，电子在不同能谷中的局域性赋予了电子一个新的自由度，即能谷自由度。随后电子向价带跃迁引起左旋或右旋圆偏振荧光的发射，，荧光的偏振性反映了在单层TMD材料中的谷极化度。在这个过程中，通过入射圆偏振光激发单层TMD材料完成了谷极化的信息编码，并转换成为荧光信号。由于谷极化激子的寿命很短，为了对谷极化信息进行后续处理，需要将从单层TMD材料中发射出的圆偏振荧光信号高效耦合到光学体系中，并且对左旋圆偏振荧光和右旋圆偏振荧光在空间上实现有效的分离。

收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体分别包括多个晶格之间紧密排列的基本结构单元，当每个基本结构单元内六个正三角形中心与正六边形中心的距离刚好等于二维拓扑光子晶体周期的1/3时，体系具有高对称性，整体类似光子石墨烯结构，因此对应的能带在倒空间的Γ点产生类似狄拉克锥的简并。当每一个基本结构单元内的六个正三角形与正六边形中心的距离同步偏离上述值时，Γ点处的简并能带将被打开，形成光子禁带，在带边附近能够构造实现光子的赝自旋分别对应左旋圆偏振和右旋圆偏振的模式。当上述距离减小时，即所有正三角形的位置向单元中心收缩时，形成收缩型拓扑光子晶体对应平凡的拓扑态；当上述距离增大时，即所有正三角形的位置远离单元中心扩张时，形成扩张型拓扑光子晶体对应非平凡的拓扑态。当收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体各自构成的整体相互拼接形成边界时，在边界处的体能带禁带内将会出现两个反向传输的拓扑边界态。这两个拓扑边界态分别对应于两种不同的光子赝自旋，即左旋圆偏振荧光或右旋圆偏振荧光，并且会被局域在边界附近沿边界单向传输。

基于上述原理，选取合适的单层TMD材料，并设计二维拓扑光子晶体的禁带中心与该单层TMD材料发射荧光中心波长相匹配，将单层TMD转移到二维拓扑光子晶体构造的边界附近形成异质结复合体系，则单层TMD材料中发射的荧光将被耦合到拓扑光子晶体体系中，并且光子赝自旋与拓扑边界态传输方向的一一对应保证了不同圆偏振光将在光子晶体中向相反方向传输，从而实现了光信号的空间分离。进一步，通过连接到拓扑光子晶体边界附近的波导，将光信号导出。利用波导，对传输的光信号进行调制和处理，并将最终的光信号经过耦合端输出。由此，单层TMD材料中谷极化所携带的二进制编码信息最终被转化为在拓扑光子晶体中向两个方向传输的拓扑边界态，即从激子的谷极化信息完成了向光子拓扑态信息的转换。

如图2所示，本实施例的激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件包括：介质薄膜、收缩型拓扑光子晶体PhC 2、扩张型拓扑光子晶体PhC 1、单层TMD材料、波导WG和耦合端P；其中，在衬底上形成介质薄膜；通过刻蚀介质薄膜，在介质薄膜内构建收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体，缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体均为二维拓扑光子晶体的禁带中心与单层TMD材料发射荧光中心波长相匹配；如图1所示，收缩型拓扑光子晶体PhC 2和扩张型拓扑光子晶体PhC 1分别包括多个晶格之间紧密排列的基本结构单元，每一个基本结构单元的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的空气孔，空气孔穿透介质薄膜，厚度与介质薄膜的厚度相同，整体结构具有C₆对称性；在收缩型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应平凡的拓扑态；在扩张型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应非平凡的拓扑态；收缩型拓扑光子晶体与扩张型拓扑光子晶体整体相互拼接，构成拓扑光子晶体体系，并且在拼接处形成拓扑光子晶体体系的边界，在边界处的体能带禁带内出现两个反向传输的拓扑边界态，分别对应于两种不同的光子赝自旋，即左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的模式，并且被局域在边界附近沿边界单向传输；单层TMD材料转移至拓扑光子晶体体系的边界上，形成异质结复合体系；刻蚀介质薄膜将波导两边的材料刻蚀掉，保留的下来的介质薄膜的材料位于拓扑光子晶体体系的边界的两端分别形成波导；刻蚀介质薄膜将耦合端以外的材料刻蚀掉，保留的下来的介质薄膜的材料位于波导的输出端分别形成耦合端，波导的输出端连接拓扑光子晶体体系的边界；波导和耦合端的厚度与介质薄膜的厚度相同。

在本实施例中，衬底为SiO₂，介质薄膜的材料采用200nm厚的TiO₂；二维拓扑光子晶体基本结构单元为正六边形，边长为261nm，每个基本结构单元内部的正三角形空气孔的边长均为168nm，深度均为200nm。在收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体的基本结构单元中，正三角形的中心与正六边形中心的距离分别为160nm和137nm，排列时保持晶格之间紧密相连。收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体在平行于所构造的边界方向共有10个周期，在垂直于边界方向共有7个周期。收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体的参数保证了在中心波长为630nm附近存在光子禁带，与二硫化钨WS₂发射的荧光中心波长相匹配。在PhC 1和PhC 2拼接处形成一个边界，因此边界处能够支持中心波长为630nm的拓扑保护单向传输拓扑边界态。在边界附近上方覆盖有尺寸不小于3μm×3μm的单层的TMD材料，单层TMD材料采用WS₂。波导与拓扑光子晶体体系边界的连接处的宽度不小于800nm。

图3所示为一种基于波导的光信号处理和调制结构的俯视图。波导的宽度从连接处的800nm过渡到400nm，厚度为200nm，两侧均为空气。波导中心有两个半径100nm的圆形的通孔，圆形的通孔垂直波导，并穿透上下表面，分别为第一和第二空气孔C1和C2，深度均为200nm，孔间距为4μm。第一和第二空气孔之间构成一个共振微腔，在630nm附近透过率为最低值，对应光开关的“关”态。利用TiO₂的非线性光学克尔效应，在腔附近外加强的泵浦光场或电场，能够对TiO₂的折射率进行调制，引起共振波长的移动，在630nm附近的透过率将增大到最高值，从而实现光开关的“开”态。

如图4所示，在衬底A上形成介质薄膜，刻蚀介质薄膜构建拓扑光子晶体体系PhC，拓扑光子晶体体系的空气孔穿透介质薄膜，厚度与介质薄膜的厚度相同，波导WG和耦合端P的厚度与介质薄膜的厚度相同；拓扑光子晶体体系PhC沿边界的长度大于单层TMD材料的长度，即单层TMD材料不能覆盖到波导。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件，其特征在于，所述信息转换器件包括：衬底、收缩型拓扑光子晶体、扩张型拓扑光子晶体、单层TMD材料、波导和耦合端；其中，在衬底上构建收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体，二者均为二维拓扑光子晶体，二维拓扑光子晶体的禁带中心与单层TMD材料发射荧光中心波长相匹配；收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体分别包括多个晶格之间紧密排列的基本结构单元，每一个基本结构单元的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的空气孔，整体结构具有C₆对称性；在收缩型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应平凡的拓扑态；在扩张型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应非平凡的拓扑态；收缩型拓扑光子晶体与扩张型拓扑光子晶体整体相互拼接，构成拓扑光子晶体体系，并且在拼接处形成拓扑光子晶体体系的边界，在边界处的体能带禁带内出现两个反向传输的拓扑边界态，分别对应于两种不同的光子赝自旋，即左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的模式，并且被局域在边界附近沿边界单向传输；单层TMD材料转移至拓扑光子晶体体系的边界上，形成异质结复合体系；在衬底上并且位于拓扑光子晶体体系的边界的两端分别设置波导；在衬底上并且位于波导的输出端分别设置耦合端；当左旋圆偏振光或右旋圆偏振光入射至单层TMD材料时，激发单层TMD材料，选择性地引起K谷或K’谷的电子向导带跃迁并形成谷极化激子，随后电子向价带跃迁引起左旋或右旋圆偏振荧光的发射，荧光的偏振性反映了在单层TMD材料中的谷极化度，完成了谷极化的信息编码，并转换成为荧光信号；左旋或右旋圆偏振荧光与拓扑光子晶体体系中的两种光子赝自旋的模式相同，能够被耦合到拓扑光子晶体体系中，并且光子赝自旋与拓扑边界态的传输方向的一一对应保证了左旋圆偏振荧光和右旋圆偏振荧光在拓扑光子晶体体系的边界中向相反方向传输，从而实现了光信号的空间分离；进一步，通过连接到拓扑光子晶体体系的边界的波导，将光信号导出；并且利用波导，对传输的光信号进行调制和处理；最终的光信号经过耦合端输出；由此，单层TMD材料中谷极化激子所携带的二进制编码信息最终被转化为在拓扑光子晶体体系中向两个方向传输的拓扑边界态，即从激子的谷极化信息完成了向光子拓扑态信息的转换。

2.如权利要求1所述的信息转换器件，其特征在于，所述单层TMD材料采用MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂中的一种；厚度为0.5nm～1nm；平面尺寸为2μm×2μm～10μm×10μm。

3.如权利要求1所述的信息转换器件，其特征在于，所述收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体采用TiO₂或SiN_x；厚度为150nm～300nm；平面尺寸为3μm×3μm～10μm×10μm。

4.如权利要求1所述的信息转换器件，其特征在于，所述基本结构单元的边长为180nm～500nm；基本结构单元中的正三角形的边长为80nm～400nm。

5.如权利要求1所述的信息转换器件，其特征在于，所述收缩型拓扑光子晶体中六个正三角形与正六边形中心的距离为二维拓扑光子晶体周期1/3的0.9倍～0.98倍，扩张型拓扑光子晶体中六个正三角形与正六边形中心的距离为二维拓扑光子晶体周期1/3的1.02倍～1.1倍。

6.如权利要求1所述的信息转换器件，其特征在于，所述波导包括：过渡段、直波导以及第一和第二空气孔；其中，过渡段的前端宽度大于后端宽度，过渡段的前端连接拓扑光子晶体体系的边界的一端，过渡段的后端连接直波导；直波导的后端连接耦合端；在直波导上开设两个圆形的通孔，形成第一和第二空气孔，第一和第二空气孔之间构成一个共振微腔。

7.一种如权利要求1所述的激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件的转换方法，其特征在于，所述转换方法包括以下步骤：

1)在衬底上形成介质薄膜；通过刻蚀介质薄膜，在介质薄膜内构建收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体，二者均为二维拓扑光子晶体，二维拓扑光子晶体的禁带中心与单层TMD材料发射荧光中心波长相匹配；收缩型拓扑光子晶体和扩张型拓扑光子晶体分别包括多个晶格之间紧密排列的基本结构单元，每一个基本结构单元的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的空气孔，整体结构具有C₆对称性；在收缩型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应平凡的拓扑态；在扩张型拓扑光子晶体中，六个正三角形与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应非平凡的拓扑态；收缩型拓扑光子晶体与扩张型拓扑光子晶体整体相互拼接，构成拓扑光子晶体体系，并且在拼接处形成拓扑光子晶体体系的边界，在边界处的体能带禁带内出现两个反向传输的拓扑边界态，分别对应于两种不同的光子赝自旋，即左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的模式，并且被局域在边界附近沿边界单向传输；

2)将单层TMD材料转移至拓扑光子晶体体系的边界上，形成异质结复合体系；通过刻蚀介质薄膜在拓扑光子晶体体系的边界的两端分别形成波导；通过刻蚀介质薄膜在波导的输出端分别形成耦合端；

3)当左旋圆偏振光或右旋圆偏振光入射至单层TMD材料时，激发单层TMD材料，选择性地引起K谷或K’谷的电子向导带跃迁并形成谷极化激子，随后电子向价带跃迁引起左旋或右旋圆偏振荧光的发射，荧光的偏振性反映了在单层TMD材料中的谷极化度，完成了谷极化的信息编码，并转换成为荧光信号；

4)左旋或右旋圆偏振荧光与拓扑光子晶体体系中的两种光子赝自旋的模式相同，能够被耦合到拓扑光子晶体体系中，并且光子赝自旋与拓扑边界态的传输方向的一一对应保证了左旋圆偏振荧光和右旋圆偏振荧光在拓扑光子晶体体系的边界中向相反方向传输，从而实现了光信号的空间分离；

5)通过连接到拓扑光子晶体体系的边界的波导，将光信号导出；并且利用波导，对传输的光信号进行调制和处理；

6)最终的光信号经过耦合端输出；由此，单层TMD材料中谷极化激子所携带的二进制编码信息最终被转化为在拓扑光子晶体体系中向两个方向传输的拓扑边界态，即从激子的谷极化信息完成了向光子拓扑态信息的转换。

8.如权利要求7所述的转换方法，其特征在于，在步骤2)中，介质薄膜采用TiO₂或SiN_x；厚度为150nm～300nm。

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