CN112987176A - 基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法 - Google Patents

基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法。本发明包括零维的边界态微腔以及两个一维的边界态波导，边界态波导具有光子的赝自旋锁定，边界态微腔的特征频率包括行波模式和驻波模式，边界态波导与边界态微腔发生行波模式耦合，赝自旋不变，发生驻波模式耦合，赝自旋反向，通过控制背景材料的折射率控制特定的特征频率下的模式，从而实现模式切换并控制传输路径；本发明通过将相变材料与拓扑光子晶体结合，实现了光子赝自旋自由度的动态可逆调控，解决了可调控性与拓扑的鲁棒性这两者间的矛盾；本发明用作集成光电子芯片，作为调控光信息传输的平台，构建了光通讯波段具有拓扑保护性质的高性能集成光电子器件。

Description

基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法
技术领域
本发明涉及微纳光学技术，具体涉及一种基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及其实现方法。
背景技术
二维光子晶体体系是微纳光子学的重要平台，其周期性结构对入射电磁波的调制作用产生光子带隙，频率位于光子晶体带隙中的光无法传输，将被限制在体系的边界或缺陷处，由此可以构建边界态或缺陷态波导和微腔等器件。在微纳加工中受限于制造精度，器件中的缺陷和杂质将会引起光的背向散射，制约了器件性能。另一方面，光子晶体线缺陷波导在大角度弯折的情况下产生严重的散射，限制了其在光信息处理器件中的应用。在倒空间具有特殊拓扑能带的光子晶体，也称光子拓扑绝缘体，特殊的拓扑保护性保证了严格的单向传输性，即使在波导大角度弯折的情况下也具有很强的鲁棒性，且具有局部缺陷和杂质免疫的性质。拓扑光子边界态的保护性可以使器件的性能得到极大提升，因此在集成光子器件领域具有巨大的应用前景。然而，在可见光及近红外通讯波段对于拓扑光子器件的调控能力非常有限。利用非线性效应同时引起能带移动和拓扑零维边界态特征频率模式切换可以实现对拓扑性质的动态调控，成功地解决了拓扑保护性和动态可调性之间的矛盾。
硫系玻璃Ge23Sb7S70在红外波段具有宽透明波段窗口，具有化学稳定性好、热稳定性好、能低温沉积的特点，能在晶态和非晶态之间进行快速可逆的切换，拥有优异的折射率温度系数(dn/dT)性能，具有非易失性，可用于可重构、可编码的有源光子集成器件。此外有利于提高光子器件的效率和集成度。利用硫系玻璃Ge23Sb7S70，通过改变外加温度改变材料的状态，进而改变折射率实现连续可逆可调。
拓扑光子边界态的保护性可以使器件的性能得到极大提升，因此在集成光子器件领域具有巨大的应用前景。然而，在可见光及近红外通讯波段对拓扑光子器件的调控能力非常有限，拓扑保护性和动态可调性之间的矛盾无法解决。
发明内容
为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件及其实现方法。
本发明的一个目的在于提出一种基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件。
本发明的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件包括：两个边界态波导、边界态微腔、输入波导和输出波导；其中，中心为六边形的拓扑平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格的周围拼接拓扑非平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格的交界面形成零维的边界态微腔；拓扑非平凡晶格外边缘的形状为矩形，矩形的一对平行的边与六边形的其中一对平行的边互相平行，矩形的拓扑非平凡晶格的一对平行的边上分别拼接拓扑平凡晶格，矩形的拓扑非平凡晶格与拓扑平凡晶格交界面形成两个一维的边界态波导；在一个边界态波导的两端分别设置输入波导，在另一个边界态波导的两端分别设置输出波导；
光子的赝自旋方向与一维的边界态波导上光的传输方向锁定，即一种赝自旋方向对应一种光的传输方向，两种与赝自旋方向锁定的边界态会分别向两个相反的方向传输，分别对应光子的赝自旋向上和赝自旋向下；边界态微腔具有不同的特征频率，特征频率分为两类：行波模式和驻波模式，两个简并的频率代表行波模式，分别对应着能流沿着微腔顺时针旋转和逆时针旋转，驻波模式是两个劈裂的频率，由六边形的边界态微腔的六个120°夹角引起，能流垂直于边界态微腔向外发射；具有特定的赝自旋方向的光经过与其光子赝自旋方向相对应的输入波导传输至一维的边界态波导；如果光的频率不与边界态微腔的任何一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔不会发生耦合，光从另一端的输入波导输出；如果光的频率与边界态微腔的一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生耦合，当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为行波模式的特征频率时，发生行波模式耦合，具有赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔再从边界态微腔耦合到边界态波导的整个过程中，传输方向始终与赝自旋锁定且不会发生变化，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为驻波模式的特征频率时，发生驻波模式耦合，具有一定赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔时，赝自旋发生反转，再从边界态微腔耦合到边界态波导时，与赝自旋锁定的边界态上光的传输方向发生反转，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；边界态微腔的特定的特征频率在不同的折射率下，表现为行波模式或驻波模式，通过改变材料的折射率，改变该特征频率的模式为驻波模式或行波模式，从而改变从边界态波导耦合到边界态微腔的耦合模式，以控制赝自旋方向是否发生反转，当与光的频率相同的特征频率为行波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生行波模式耦合，赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出，改变折射率，从而改变与光的频率相同的特征频率为驻波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生驻波模式耦合，赝自旋发生反转，因此与赝自旋锁定的边界态上光的传输方向发生反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；反之，当特征频率为驻波模式的特征频率，则发生驻波模式耦合从而赝自旋反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出，改变折射率，从而改变该特征频率为行波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换，则发生行波模式耦合从而赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出，实现控制模式转换以及输出光的传输方向。
当一维的边界态波导与零维的边界态微腔耦合时，不同的特征频率发生临界耦合的距离不同；在折射率一定时，行波的耦合距离大于驻波的耦合距离；通过控制一维的边界态波导与零维的边界态微腔之间的距离，控制耦合的程度，距离为大于驻波模式的临界耦合距离且小于行波模式的临界耦合距离。
拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格为在背景材料上进行打孔形成，拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格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；在拓扑平凡晶格中，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；在拓扑非平凡晶格中，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；拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格相互拼接时，在拼接处形成边界，边界的投影能带禁带内出现两个反向传输的拓扑边界态，其边色散曲线是在Dirac点处交叉的两条曲线，分别对应于两种不同的光子赝自旋，即赝自旋向上和赝自旋向下，并且被局域在边界附近沿边界向相反的方向单向传输。
背景材料采用能够控制折射率的材料，采用通过温度或通过电压控制折射率的非线性材料。
拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格的基本结构单元的边长a与背景材料和信号波长有关，中心频率越高，边长a越小；背景材料折射率越高，边长a越小；为200～500nm。六边形的边界态微腔的边长为7～13个基本结构单元的水平长度。
本发明的另一个目的在于提出一种基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件的实现方法。
本发明的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件的实现方法，包括以下步骤：
1)计算距离和耦合的特征频率：
a)在无外接驱动时背景材料的折射率的初始值为n0，得到在折射率的初始值下的拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格的带隙；
b)计算折射率的初始值的边界态微腔的特征频率，在多个特征频率选择其中一个最靠近带隙中心的特征频率，选择的这个特征频率在折射率的初始值下模式为行波模式或驻波模式，改变背景材料的折射率，改变后的折射率为n′，使得改变后的折射率的边界态微腔在这个特征频率下模式改变，即由行波模式变成驻波模式，或由驻波模式变成行波模式；
c)将一个边界态波导与边界态微腔耦合，不断改变两者之间的距离，经过在以上两个背景材料的折射率即折射率的初始值n0和改变的折射率n′下权衡光的传输情况，最终选择的距离使得在背景材料的折射率的初始值为n0和改变的折射率n′下，在该特征频率处耦合情况最佳，从而得到边界态波导与边界态微腔之间的距离h；
d)以步骤c)得到的距离h确定二维拓扑光子路由器件的结构，根据以上得到的改变的折射率n′得到相应的外部条件；
2)二维拓扑光子路由器件的制备：
在六边形的拓扑平凡晶格的周围拼接拓扑非平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格的交界面形成零维的边界态微腔；边界态微腔具有不同的特征频率，特征频率分为两类：行波模式和驻波模式，两个简并的频率代表行波模式，分别对应着能流沿着微腔顺时针旋转和逆时针旋转，驻波模式是两个劈裂的频率，由六边形的边界态微腔的六个120°夹角引起，能流垂直于边界态微腔向外发射；拓扑非平凡晶格外边缘的形状为矩形，矩形的一对平行的边与六边形的其中一对平行的边互相平行，矩形的拓扑非平凡晶格的一对平行的边上分别拼接拓扑平凡晶格，矩形的拓扑非平凡晶格与拓扑平凡晶格交界面形成两个一维的边界态波导；光子的赝自旋方向与一维边界态波导上光的传输方向锁定，即一种赝自旋方向对应一种光的传输方向，两种与赝自旋方向锁定的边界态会分别向两个相反的方向传输，分别对应光子的赝自旋向上和赝自旋向下；在一个边界态波导的两端分别设置输入波导，在另一个边界态波导的两端分别设置输出波导；
3)在不同耦合情况下的传输路径：
具有特定的赝自旋方向的光经过与其光子赝自旋方向相对应的输入波导传输至一维的边界态波导；
a)如果光的频率不与边界态微腔的任何一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔不会发生耦合，光从另一端的输入波导输出；
b)如果光的频率与边界态微腔的一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生耦合；
i)当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为行波模式的特征频率时，发生行波模式耦合，具有赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔再从边界态微腔耦合到边界态波导的整个过程中，传输方向始终与赝自旋锁定且不会发生变化，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；
ii)当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为驻波模式的特征频率时，发生驻波模式耦合，具有赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔时，赝自旋发生反转，再从边界态微腔耦合到边界态波导时，与赝自旋锁定的边界态上光的传输方向发生反转，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；
4)模式切换和传输方向控制：
边界态微腔的特定的特征频率在不同的折射率下，表现为行波模式或驻波模式，通过改变材料的折射率，改变特征频率为行波模式或驻波模式，从而改变从边界态波导耦合到边界态微腔的耦合模式，以控制赝自旋方向是否发生反转；
a)当与光的频率相同的特征频率为行波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生行波模式耦合，赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；
b)改变折射率，从而将与光的频率相同的特征频率改变为驻波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换；
c)与光的频率相同的特征频率为驻波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生驻波模式耦合，赝自旋发生反转，因此与赝自旋锁定的边界态上光的传输方向发生反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；
d)反之，当特征频率为驻波模式的特征频率，则发生驻波模式耦合从而赝自旋反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出，改变折射率，从而改变该特征频率为行波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换，则发生行波模式耦合从而赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出，实现控制模式转换以及输出光的传输方向。
其中，在步骤1)的c)中，背景材料采用温度控制折射率的非线性材料，则确定改变的折射率对应的温度；或者，背景材料采用电压控制折射率的非线性材料，则确定改变的折射率对应的电压。
本发明的优点：
本发明通过将相变材料与拓扑光子晶体结合，实现了光子赝自旋自由度的动态可逆调控，解决了可调控性与拓扑的鲁棒性这两者间的矛盾；本发明提出的可逆动态调控拓扑光子路由器件，可以用作集成光电子芯片，作为调控光信息传输的平台，构建了光通讯波段具有拓扑保护性质的高性能集成光电子器件。
附图说明
图1为本发明的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件的一个实施例的示意图；
图2为本发明的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件的一个实施例的拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格的示意图；
图3为本发明的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件的一个实施例的两种模式之间进行切换的路径对比图。
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。
如图1所示，本实施例的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件包括：两个边界态波导、边界态微腔、输入波导和输出波导；其中，中心为六边形的拓扑平凡晶格PhC1，六边形的拓扑平凡晶格的周围拼接拓扑非平凡晶格PhC2，在六边形的拓扑平凡晶格PhC1与拓扑非平凡晶格PhC2的交界面形成零维的边界态微腔；拓扑非平凡晶格PhC2外边缘的形状为矩形，矩形的一对平行的边与六边形的其中一对平行的边互相平行，矩形的拓扑非平凡晶格的一对平行的边上分别拼接拓扑平凡晶格，矩形的拓扑非平凡晶格PhC2与拓扑平凡晶格PhC1交界面形成两个一维的边界态波导；在一个边界态波导的两端分别设置输入波导WG1和WG4，在另一个边界态波导的两端分别设置输出波导WG2和WG3；
光子的赝自旋方向与一维边界态波导上光的传输方向锁定，即一种赝自旋方向对应一个种光的传输方向，两种与赝自旋方向锁定的边界态会分别向两个相反的方向传输，分别对应光子的赝自旋向上和赝自旋向下；边界态微腔具有不同的特征频率，特征频率分为两类：行波模式和驻波模式，两个简并的频率代表行波模式，分别对应着能流沿着微腔顺时针旋转和逆时针旋转，驻波模式是两个劈裂的频率，由六边形的边界态微腔的六个120°夹角引起，能流垂直于边界态微腔向外发射；具有特定的赝自旋方向的光经过与其光子赝自旋方向相对应的输入波导传输至一维的边界态波导；如果光的频率不与边界态微腔的任何一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔不会发生耦合，光从另一端的输入波导输出；如果光的频率与边界态微腔的一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生耦合，当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为行波模式的特征频率时，发生行波模式耦合，具有赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔再从边界态微腔耦合到边界态波导的整个过程中，传输方向始终与赝自旋锁定且不会发生变化，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为驻波模式的特征频率时，发生驻波模式耦合，具有一定赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔时，赝自旋发生反转，再从边界态微腔耦合到边界态波导时，光反向传输至边界态波导，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；如图3所示，边界态微腔的特定的特征频率在不同的折射率下，表现为行波模式或驻波模式，通过改变材料的折射率，改变该特征频率的模式为驻波模式或行波模式，从而改变从边界态波导耦合到边界态微腔的耦合模式，以控制赝自旋方向是否发生反转，当与光的频率相同的特征频率为行波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生行波模式耦合，赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出，改变折射率，从而改变与光的频率相同的特征频率为驻波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生驻波模式耦合，赝自旋发生反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；反之，当特征频率为驻波模式的特征频率，则发生驻波模式耦合从而赝自旋反向，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出，改变折射率，从而改变该特征频率为行波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换，则发生行波模式耦合从而赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出，实现控制模式转换以及输出光的传输方向。
当一维的边界态波导与零维的边界态微腔耦合时，不同的特征频率发生临界耦合的距离不同；在折射率一定时，行波的耦合距离大于驻波的耦合距离；通过控制一维的边界态波导与零维的边界态微腔，控制耦合的程度，距离为大于驻波模式的临界耦合距离且小于行波模式的临界耦合距离。
如图2所示，拓扑平凡晶格PhC1和拓扑非平凡晶格PhC2为在背景材料上进行打孔形成，拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格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；在拓扑平凡晶格中，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；在拓扑非平凡晶格中，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；拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格相互拼接时，在拼接处形成边界，在边界处的投影能带禁带内出现两个反向传输的拓扑边界态，其边界态的色散曲线是在狄拉克Dirac点处交叉的两条曲线，分别对应于两种不同的光子赝自旋，即赝自旋向上和赝自旋向下，并且被局域在边界附近沿边界相反的方向单向传输。
在本实施例中，背景材料采用铌酸锂GSSE，折射率随外部温度可调，厚度为340nm，衬底为SiO2；每个晶格的正六边形的边长为487nm，每个晶格元内部有六个旋转对称的正三角形空气孔的边长为292nm，深度均为340nm；在这拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格中，正三角形中心距离正六边形中心分别为261.3nm和295.0nm；边界态微腔内部是拓扑非平凡晶体，边长是9个周期，周期即基本结构单元，周期的水平长度p与基本结构单元的边长a满足：p＝
Figure BDA0002967907830000081
周期的竖直长度q与基本结构单元的边长a满足q＝1.5a；边界态波导的上下每部分在平行于所构造的边界方向共有50个周期，在垂直于边界方向共有7个周期，边界态波导和边界态微腔之间在垂直于边界方向共6个周期；在中心波长1550nm附近存在完全带隙，带隙范围在1502nm～1581nm。
本实施例的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件的实现方法，包括以下步骤：
1)计算距离和耦合的特征频率：
a)在无外接驱动时背景材料GSSE的折射率的初始值n0为3.0342，得到折射率的初始值的拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格的带隙；
b)计算折射率的初始值的边界态微腔的特征频率，在多个特征频率选择其中一个最靠近带隙中心的特征频率，特征频率是195.91THz且为驻波模式，通过改变背景材料的温度以改变背景材料的折射率，改变的折射率为n′为3.0897时，这个特征频率195.91THz下模式改变成行波模式；
c)将一个边界态波导与边界态微腔耦合，不断改变两者之间的距离，经过在以上两个背景材料的折射率即折射率的初始值n0和改变的折射率n′下权衡光的传输情况，最终选择的距离使得在背景材料的折射率的初始值为n0和改变的折射率n′下，在该特征频率处耦合情况最佳，从而得到边界态波导与边界态微腔之间的距离h为4383nm；
2)以步骤c)得到的距离h确定二维拓扑光子路由器件的结构，根据以上得到的改变的折射率n′得到相应的外部条件；二维拓扑光子路由器件的制备：
在六边形的拓扑平凡晶格的周围拼接拓扑非平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格的交界面形成零维的边界态微腔；边界态微腔具有不同的特征频率，特征频率分为两类：行波模式和驻波模式，两个简并的频率代表行波模式，分别对应着能流沿着微腔顺时针旋转和逆时针旋转，驻波模式是两个劈裂的频率，由六边形的边界态微腔的六个120°夹角引起，能流垂直于边界态微腔向外发射；拓扑非平凡晶格外边缘的形状为矩形，矩形的一对平行的边与六边形的其中一对平行的边互相平行，矩形的拓扑非平凡晶格的一对平行的边上分别拼接拓扑平凡晶格，矩形的拓扑非平凡晶格与拓扑平凡晶格交界面形成两个一维的边界态波导；光子的赝自旋方向与一维边界态波导上光的传输方向锁定，即一种赝自旋方向对应一种光的传输方向，两种与赝自旋方向锁定的边界态会分别向两个相反的方向传输，分别对应光子的赝自旋向上和赝自旋向下；在一个边界态波导的两端分别设置输入波导，在另一个边界态波导的两端分别设置输出波导；
3)在不同耦合情况下的传输路径：
具有特定的赝自旋方向的光经过与其光子赝自旋方向相对应的输入波导传输至一维的边界态波导；
a)如果光的频率不与边界态微腔的任何一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔不会发生耦合，光从另一端的输入波导输出；
b)如果光的频率与边界态微腔的一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生耦合；
i)当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为行波模式的特征频率时，发生行波模式耦合，具有赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔再从边界态微腔耦合到边界态波导的整个过程中，传输方向始终与赝自旋锁定且不会发生变化，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；
ii)当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为驻波模式的特征频率时，发生驻波模式耦合，具有一定赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔时，赝自旋发生了反转，再从边界态微腔耦合到边界态波导时，赝自旋发生反转最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；
4)模式切换和传输方向控制：
边界态微腔的特定的特征频率在不同的折射率下，通过改变材料的折射率，改变特征频率从驻波模式变为行驻波模式，从而改变从边界态波导耦合到边界态微腔的耦合模式，以控制赝自旋方向是否发生反转，如图3所示；
a)背景材料GSSE的折射率的初始值n0为3.0342，与光的频率相同的特征频率195.91THz为驻波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生驻波模式耦合，赝自旋发生反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；如图3左图所示，入射光的边界态波导的下侧是拓扑平凡晶格，上侧是拓扑非平凡晶格，当光从右下角的输入波导由右向左输入时，沿着光的传输方向，边界态的左侧是拓扑平凡晶格，右侧是拓扑非平凡晶格；光从输出波导输出时，光的赝自旋方向发生了反转，所以光在边界态上的传输方向也反向，即从输出波导输出时，沿着光的传输方向，边界态的左侧是拓扑非平凡晶格，右侧是拓扑平凡晶格，所以光在输出波导上向左传输；
b)改变的折射率n′为3.0897，从而将与光的频率相同的特征频率改变为行波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换；
c)与光的频率相同的特征频率为行波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生行波模式耦合，赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；如图3右图所示，入射光的边界态波导的下侧是拓扑平凡晶格，上侧是拓扑非平凡晶格，当光从右下角的输入波导由右向左输入时，沿着光的传输方向，边界态的左侧是拓扑平凡晶格，右侧是拓扑非平凡晶格；光从输出波导输出时，光的赝自旋方向未发生反转，所以光在边界态上的传输方向也不变，即从输出波导输出时，沿着光的传输方向，边界态的左侧是拓扑平凡晶格，右侧是拓扑非平凡晶格，所以光在输出波导上向右传输。
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 (7)

1.一种基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件，其特征在于，所述基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件包括：两个边界态波导、边界态微腔、输入波导和输出波导；其中，中心为六边形的拓扑平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格的周围拼接拓扑非平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格的交界面形成零维的边界态微腔；拓扑非平凡晶格外边缘的形状为矩形，矩形的一对平行的边与六边形的其中一对平行的边互相平行，矩形的拓扑非平凡晶格的一对平行的边上分别拼接拓扑平凡晶格，矩形的拓扑非平凡晶格与拓扑平凡晶格交界面形成两个一维的边界态波导；在一个边界态波导的两端分别设置输入波导，在另一个边界态波导的两端分别设置输出波导；
光子的赝自旋方向与一维的边界态波导上光的传输方向锁定，即一种赝自旋方向对应一种光的传输方向，两种与赝自旋方向锁定的边界态会分别向两个相反的方向传输，分别对应光子的赝自旋向上和赝自旋向下；边界态微腔具有不同的特征频率，特征频率分为两类：行波模式和驻波模式，两个简并的频率代表行波模式，分别对应着能流沿着微腔顺时针旋转和逆时针旋转，驻波模式是两个劈裂的频率，由六边形的边界态微腔的六个120°夹角引起，能流垂直于边界态微腔向外发射；具有特定的赝自旋方向的光经过与其光子赝自旋方向相对应的输入波导传输至一维的边界态波导；如果光的频率不与边界态微腔的任何一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔不会发生耦合，光从另一端的输入波导输出；如果光的频率与边界态微腔的一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生耦合，当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为行波模式的特征频率时，发生行波模式耦合，具有赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔再从边界态微腔耦合到边界态波导的整个过程中，传输方向始终与赝自旋锁定且不会发生变化，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为驻波模式的特征频率时，发生驻波模式耦合，具有一定赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔时，赝自旋发生反转，再从边界态微腔耦合到边界态波导时，与赝自旋锁定的边界态上光的传输方向发生反转，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；边界态微腔的特定的特征频率在不同的折射率下，表现为行波模式或驻波模式，通过改变材料的折射率，改变该特征频率的模式为驻波模式或行波模式，从而改变从边界态波导耦合到边界态微腔的耦合模式，以控制赝自旋方向是否发生反转，当与光的频率相同的特征频率为行波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生行波模式耦合，赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出，改变折射率，从而改变与光的频率相同的特征频率为驻波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生驻波模式耦合，赝自旋发生反转，因此与赝自旋锁定的边界态上光的传输方向发生反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；反之，当特征频率为驻波模式的特征频率，则发生驻波模式耦合从而赝自旋反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出，改变折射率，从而改变该特征频率为行波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换，则发生行波模式耦合从而赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出，实现控制模式转换以及输出光的传输方向。
2.如权利要求1所述的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件，其特征在于，当一维的边界态波导与零维的边界态微腔耦合时，不同的特征频率发生临界耦合的距离不同；在折射率一定时，行波的耦合距离大于驻波的耦合距离；通过控制一维的边界态波导与零维的边界态微腔之间的距离，控制耦合的程度，距离为大于驻波模式的临界耦合距离且小于行波模式的临界耦合距离。
3.如权利要求1所述的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件，其特征在于，拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格为在背景材料上进行打孔形成，拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格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；在拓扑平凡晶格中，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；在拓扑非平凡晶格中，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；拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格相互拼接时，在拼接处形成边界，在边界处的投影能带禁带内出现两个反向传输的拓扑边界态，其边界态的色散曲线是在狄拉克点处交叉的两条曲线，分别对应于两种不同的光子赝自旋，即赝自旋向上和赝自旋向下，并且被局域在边界附近沿边界相反的方向单向传输。
4.如权利要求1所述的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件，其特征在于，背景材料采用能够控制折射率的材料，采用通过温度或通过电压控制折射率的非线性材料。
5.一种如权利要求1所述的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)计算距离和耦合的特征频率：
a)在无外接驱动时背景材料的折射率的初始值为n0，得到在折射率的初始值下的拓扑平凡晶格和拓扑非平凡晶格的带隙；
b)计算折射率的初始值的边界态微腔的特征频率，在多个特征频率选择其中一个最靠近带隙中心的特征频率，选择的这个特征频率在折射率的初始值下模式为行波模式或驻波模式，改变背景材料的折射率，改变后的折射率为n′，使得改变后的折射率的边界态微腔在这个特征频率下模式改变，即由行波模式变成驻波模式，或由驻波模式变成行波模式；
c)将一个边界态波导与边界态微腔耦合，不断改变两者之间的距离，经过在以上两个背景材料的折射率即折射率的初始值n0和改变的折射率n′下权衡光的传输情况，最终选择的距离使得在背景材料的折射率的初始值为n0和改变的折射率n′下，在该特征频率处耦合情况最佳，从而得到边界态波导与边界态微腔之间的距离；
d)以步骤c)得到的距离h确定二维拓扑光子路由器件的结构，根据以上得到的改变的折射率n′得到相应的外部条件；
2)二维拓扑光子路由器件的制备：
在六边形的拓扑平凡晶格的周围拼接拓扑非平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格的交界面形成零维的边界态微腔；边界态微腔具有不同的特征频率，特征频率分为两类：行波模式和驻波模式，两个简并的频率代表行波模式，分别对应着能流沿着微腔顺时针旋转和逆时针旋转，驻波模式是两个劈裂的频率，由六边形的边界态微腔的六个120°夹角引起，能流垂直于边界态微腔向外发射；拓扑非平凡晶格外边缘的形状为矩形，矩形的一对平行的边与六边形的其中一对平行的边互相平行，矩形的拓扑非平凡晶格的一对平行的边上分别拼接拓扑平凡晶格，矩形的拓扑非平凡晶格与拓扑平凡晶格交界面形成两个一维的边界态波导；光子的赝自旋方向与一维边界态波导上光的传输方向锁定，即一种赝自旋方向对应一种光的传输方向，两种与赝自旋方向锁定的边界态会分别向两个相反的方向传输，分别对应光子的赝自旋向上和赝自旋向下；在一个边界态波导的两端分别设置输入波导，在另一个边界态波导的两端分别设置输出波导；
3)在不同耦合情况下的传输路径：
具有特定的赝自旋方向的光经过与其光子赝自旋方向相对应的输入波导传输至一维的边界态波导；
a)如果光的频率不与边界态微腔的任何一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔不会发生耦合，光从另一端的输入波导输出；
b)如果光的频率与边界态微腔的一个特征频率相同，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生耦合；
i)当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为行波模式的特征频率时，发生行波模式耦合，具有赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔再从边界态微腔耦合到边界态波导的整个过程中，传输方向始终与赝自旋锁定且不会发生变化，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；
ii)当与光的频率相同的边界态微腔的特征频率为驻波模式的特征频率时，发生驻波模式耦合，具有赝自旋的光从边界态波导耦合到边界态微腔时，赝自旋发生反转，再从边界态微腔耦合到边界态波导时，与赝自旋锁定的边界态上光的传输方向发生反转，最终沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；
4)模式切换和传输方向控制：
边界态微腔的特定的特征频率在不同的折射率下，表现为行波模式或驻波模式，通过改变材料的折射率，改变特征频率为行波模式或驻波模式，从而改变从边界态波导耦合到边界态微腔的耦合模式，以控制赝自旋方向是否发生反转；
a)当与光的频率相同的特征频率为行波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生行波模式耦合，赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出；
b)改变折射率，从而将与光的频率相同的特征频率改变为驻波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换；
c)与光的频率相同的特征频率为驻波模式的特征频率，则一维的边界态波导与零维的边界态微腔发生驻波模式耦合，赝自旋发生反转，因此与赝自旋锁定的边界态上光的传输方向发生反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出；
5)反之，当特征频率为驻波模式的特征频率，则发生驻波模式耦合从而赝自旋反转，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相反的方向从输出波导输出，改变折射率，从而改变该特征频率为行波模式的特征频率，实现边界态微腔模式的切换，则发生行波模式耦合从而赝自旋不变，光沿着与入射时赝自旋锁定的边界态的传输方向相同的方向从输出波导输出，实现控制模式转换以及输出光的传输方向。
6.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，在步骤1)中，当一维的边界态波导与零维的边界态微腔耦合时，不同的特征频率发生临界耦合的距离不同；在折射率一定时，行波的耦合距离大于驻波的耦合距离；通过控制一维的边界态波导与零维的边界态微腔之间的距离，控制耦合的程度，距离为大于驻波模式的临界耦合距离且小于行波模式的临界耦合距离。
7.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，在步骤1)的c)中，背景材料采用温度控制折射率的非线性材料，则确定改变的折射率对应的温度；或者，背景材料采用电压控制折射率的非线性材料，则确定改变的折射率对应的电压。
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