CN112925058B - 一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，包括第一晶胞周期性排列形成的第一光子晶体电介质平板、第二晶胞周期性排列形成的第二光子晶体电介质平板；在位于第一晶胞内的四个角落均设有第一空气孔；位于第二晶胞内的晶胞中心处设有第二空气孔；第一光子晶体电介质平板、第二光子晶体电介质平板的连接边界有两条，两条连接边界的交界处构成存在零维拓扑角态的拐角结构；第一光子晶体电介质平板与第二光子晶体电介质平板连接的一侧的部分第一空气孔填充光子晶体电介质形成光子晶体缺陷波导；由拐角结构处至光子晶体缺陷波导的长度为Lc；光子晶体缺陷波导向第一光子晶体电介质平板外延伸形成条形波导。
Description
技术领域
本发明涉及微纳与集成光电子技术领域，更具体地，涉及一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器。
背景技术
光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，且周期在亚波长尺度。光子晶体平板结构可以通过独特的光子能带结构调控光场，且其制备工艺与集成光子芯片兼容，是实现具有独特功能的片上集成微纳光子器件的有效方案。其中，利用光子晶体平板结构的点缺陷模式，可实现特定波长选择，用于设计光学滤波器件。
一般而言，传统的光子晶体窄带滤波器，主要通过破坏光子晶体周期性而形成局部缺陷，人为调控局部缺陷来控制局域模式，从而实现高性能的窄带滤波。这种局域化设计方法，虽然具有光局域能力强、调控灵活等特点，但也存在自由度较多、调节随意性较大、设计过程比较复杂等问题，且对制备准确度有较高要求，制约了其进一步发展。
拓扑角态是近年来新发现的物理特性。在光子晶体平板中，利用拓扑光子学这种新颖的全局化设计方法，可以方便地在非常窄的频率范围实现空间三个维度的光场能量均高度局域的零维拓扑角态，有效地克服传统光子晶体带来的设计复杂等问题。该模式具有较高的品质因子和较小的模式体积，能够设计新型的窄带滤波器，是一种全新的设计方法，有望为高密度光子集成芯片的实现及其在片上光通信器件应用方向开拓一种新思路和新范式。
发明内容
本发明为克服现有的光子晶体窄带滤波器对制备参数的高要求和设计方法复杂等问题，提出了一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其具有设计原理简单，设计思路新颖、模式体积小，受制备误差影响小等突出优点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，所述的光子晶体窄带滤波器包括第一晶胞周期性排列形成的第一光子晶体电介质平板、第二晶胞周期性排列形成的第二光子晶体电介质平板；
所述的第一晶胞、第二晶胞均为正方晶格光子晶体；其中，在位于第一晶胞内的四个角落均设有第一空气孔；位于第二晶胞内的晶胞中心处设有第二空气孔；
所述的第一光子晶体电介质平板、第二光子晶体电介质平板的连接边界有两条，两条连接边界的交界处构成存在零维拓扑角态的拐角结构；
所述的第一光子晶体电介质平板与第二光子晶体电介质平板连接的一侧的部分第一空气孔填充光子晶体电介质形成光子晶体缺陷波导；由拐角结构处至光子晶体缺陷波导的距离为Lc；每条连接边界相应的形成一条光子晶体缺陷波导；
所述的光子晶体缺陷波导向第一光子晶体电介质平板外延伸形成条形波导，共形成两条条形波导。
优选地，所述的第一晶胞、第二晶胞的晶格常数相同，晶格常数a＝450nm。
进一步地，所述的第一晶胞内的第一空气孔、所述的第二晶胞内的第二空气孔均设置成正方形孔。
再进一步地，所述的第一晶胞内的第一空气孔的长度为0.3a，其二维扎克相位为(π,π)，即第一晶胞为非平庸拓扑相。
再进一步地，所述的第二晶胞内的第二空气孔的长度为0.6a，其二维扎克相位为(0,0)，即第二晶胞为平庸拓扑相。
再进一步地，所述的第一光子晶体电介质板和第二光子晶体电介质板构成的整体大小为40a*40a。
再进一步地，所述条形波导的宽度为a，长度为100a。
再进一步地，所述的第一光子晶体电介质板、第二光子晶体电介质板、条形波导均采用硅制备而成，其折射率为3.464。
再进一步地，所述的第一光子晶体电介质板、第二光子晶体电介质板、条形波导的厚度均为220nm。
再进一步地，所述的第一光子晶体电介质板、第二光子晶体电介质板、条形波导上下背景材料均为空气，折射率为1。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出的基于零维拓扑角态的窄带滤波器，利用全新的拓扑光学原理预言拓扑角态局域模式，采用全局化设计方法，设计出了一种拓扑保护的新型光子晶体滤波器；通过改变拐角结构与光子晶体缺陷波导的距离Lc来改变耦合系数，使得整体器件的窄带滤波效果更好。本发明具有设计原理简单，设计思路新颖、模式体积小，受制备误差影响小等突出优点，有望为高密度光子集成芯片的实现及其在片上光通信器件应用方向开拓一种新思路和新范式。
附图说明
图1是本实施例基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器的部分立体图。
图2是本实施例基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器的存在零维拓扑角态的拐角结构图。
图3是交叉耦合方式的光子晶体滤波器原理图。
图4是本实施例输入波长满足谐振频率时稳定的电场能量分布图。
图5是光子晶体缺陷波导端面与拐角结构的距离Lc＝4a时的滤波器透射谱图。
图6是光子晶体缺陷波导端面与拐角结构的距离Lc＝5a时的滤波器透射谱图。
图7是光子晶体缺陷波导端面与拐角结构的距离Lc＝6a时的滤波器透射谱图。
图中，1-条形波导、2-光子晶体缺陷波导、3-拐角结构、4-第一光子晶体电介质平板、5-第二光子晶体电介质平板、6-第一晶胞、7-第二晶胞。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1、图2所示，一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，所述的光子晶体窄带滤波器包括第一晶胞6周期性排列形成的第一光子晶体电介质平板4、第二晶胞7周期性排列形成的第二光子晶体电介质平板5；
所述的第一晶胞6、第二晶胞7均为正方晶格光子晶体；其中，在位于第一晶胞6内的四个角落均设有第一空气孔；位于第二晶胞7内的晶胞中心处设有第二空气孔；
所述的第一光子晶体电介质平板4、第二光子晶体电介质平板5的连接边界有两条，两条连接边界的交界处构成存在零维拓扑角态的拐角结构3；
所述的第一光子晶体电介质平板4与第二光子晶体电介质平板5连接的一侧的部分第一空气孔填充光子晶体电介质形成光子晶体缺陷波导2；由拐角结构3处至光子晶体缺陷波导2的距离为Lc；每条连接边界相应的形成一条光子晶体缺陷波导2；
所述的光子晶体缺陷波导2向第一光子晶体电介质平板4外延伸形成条形波导1，共形成两条条形波导1。
两条连接边界依次形成条形波导1、光子晶体缺陷波导2、拐角结构3、光子晶体缺陷波导2、条形波导1。
本实施例所述的光子晶体窄带滤波器的工作原理如下：如图3、图4所示，将一定频率范围内的光信号从一条条形波导1的输入端口进入到光子晶体缺陷波导2中，进一步利用交叉耦合的原理通过长度为Lc的边界耦合进入拐角结构3，进而通过光子晶体缺陷波导2，从另一条条形波导1的输出端口输出，实现窄带滤波效果。
在一个具体的实施例中，所述的第一晶胞6、第二晶胞7的晶格常数相同，晶格常数a＝450nm。所述的第一晶胞6内的第一空气孔、所述的第二晶胞7内的第二空气孔均设置成正方形孔。所述的第一晶胞6内的第一空气孔的长度为0.3a，其二维扎克相位为(π,π)，即第一晶胞6为非平庸拓扑相。所述的第二晶胞7内的第二空气孔的长度为0.6a，其二维扎克相位为(0,0)，即第二晶胞7为平庸拓扑相。
在一个具体的实施例中，所述的第一光子晶体电介质板4和第二光子晶体电介质板5构成的整体大小为40a*40a。所述条形波导1的宽度为a，长度为100a。所述光子晶体缺陷波导2从距离拐角结构Lc处始，至第一光子晶体电介质平板4的边界处终。
在一个具体的实施例中，所述的第一光子晶体电介质板4、第二光子晶体电介质板5、条形波导1均采用硅制备而成，其折射率为3.464。所述的第一光子晶体电介质板4、第二光子晶体电介质板5、条形波导1的厚度均为220nm。
所述的第一光子晶体电介质板4、第二光子晶体电介质板5、条形波导1上下背景材料均为空气，折射率为1。
为了进一步验证本实施例所述的光子晶体窄带滤波器的技术效果，基于通过仿真软件建立本实施例的结构模型，模拟计算其滤波过程，通过调节拐角结构2与光子晶体缺陷波导1和3的距离Lc来改变透射峰效率，进而影响到所述的滤波器整体的滤波效果，效果如图5、6和7所示。当Lc＝4a(小于最佳耦合长度)或Lc＝6a(大于最佳耦合长度)时，透射率均低于Lc＝5a(等于最佳耦合长度)，此实施例中窄带滤波器在Lc＝5a时达到最佳滤波效果。
本实施例所提出的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，利用二维Su-Schrieffer-Heeger模型设计出了具备拓扑保护角态的光子晶体滤波器；通过改变拐角结构与光子晶体缺陷波导的距离Lc来改变耦合系数，使得整体器件的窄带滤波效果更好。本实施例具有设计方法简单，模式体积小，受制备误差影响小，性能优异等突出优点，在未来片上集成光通信器件方向具有潜在应用价值。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的光子晶体窄带滤波器包括第一晶胞周期性排列形成的第一光子晶体电介质平板、第二晶胞周期性排列形成的第二光子晶体电介质平板；
所述的第一晶胞、第二晶胞均为正方晶格光子晶体；其中，在位于第一晶胞内的四个角落均设有第一空气孔；位于第二晶胞内的晶胞中心处设有第二空气孔；
所述的第一光子晶体电介质平板、第二光子晶体电介质平板的连接边界有两条，两条连接边界的交界处构成存在零维拓扑角态的拐角结构；
所述的第一光子晶体电介质平板与第二光子晶体电介质平板连接的一侧的部分第一空气孔填充光子晶体电介质形成光子晶体缺陷波导；由拐角结构处至光子晶体缺陷波导的距离为Lc；每条连接边界相应的形成一条光子晶体缺陷波导；
所述的光子晶体缺陷波导向第一光子晶体电介质平板外延伸形成条形波导，共形成两条条形波导；
通过改变拐角结构与光子晶体缺陷波导的距离Lc来改变耦合系数，进而调整滤波器的滤波效果；第一晶胞为非平庸拓扑相，其二维扎克相位为(π,π)；第二晶胞为平庸拓扑相，其二维扎克相位为(0,0)。
2.根据权利要求1所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的第一晶胞、第二晶胞的晶格常数相同，晶格常数a＝450nm。
3.根据权利要求2所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的第一晶胞内的第一空气孔、所述的第二晶胞内的第二空气孔均设置成正方形孔。
4.根据权利要求3所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的第一晶胞内的第一空气孔的长度为0.3a。
5.根据权利要求4所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的第二晶胞内的第二空气孔的长度为0.6a。
6.根据权利要求5所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的第一光子晶体电介质平板和第二光子晶体电介质平板构成的整体大小为40a*40a。
7.根据权利要求6所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述条形波导的宽度为a，长度为100a。
8.根据权利要求7所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的第一光子晶体电介质平板、第二光子晶体电介质平板、条形波导均采用硅制备而成，其折射率为3.464。
9.根据权利要求8所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的第一光子晶体电介质平板、第二光子晶体电介质平板、条形波导的厚度均为220nm。
10.根据权利要求9所述的基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器，其特征在于：所述的第一光子晶体电介质平板、第二光子晶体电介质平板、条形波导上下背景材料均为空气，折射率为1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Dong Jianwen Inventor after: He Xintao Inventor after: Li Mengyu Inventor after: Chen Xiaodong Inventor before: Dong Jianwen Inventor before: He Xintao Inventor before: Li Mengyu |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |