CN113204130B - 一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件及其实现方法。本发明包括：衬底和微盘；其中，多个全同的微盘排列成一排，使得相邻微盘之间的耦合强度满足余弦调制，从而形成一维AAH阵列，满足这种余弦调制的耦合强度关系的一维AAH阵列，在合成维度上具有规范场，一维AAH阵列总是拓扑的，一维AAH阵列总有零维边界态的存在；将多排一维AAH阵列排列成二维阵列，相邻的行和相邻的列之间同样满足余弦调制的耦合强度关系，从而得到二维AAH阵列；本发明通过非厄米导致的破缺，在二维AAH构型内部构建出新的拓扑通道，提高了拓扑态的可调控性，丰富了产生拓扑态的手段。

Description

一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件及其实现方法
技术领域
本发明涉及微纳光学技术，具体涉及一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件及其实现方法。
背景技术
如果在晶体中通过某种方式打破时间反演对称性，例如使用具有磁响应的材料来构建光子晶体体系，那么整个体系会成为陈绝缘体。陈绝缘体的边界上支持单向传输的拓扑边界态，这样的边界态是受拓扑保护的，它可以绕过晶体中的一些缺陷，做到无损耗传输，因此在通信等领域具有很大的潜力。但是由于具有磁响应的材料制备复杂，近年来拓扑光子学的研究开始倾向于通过结构特性来构建具有拓扑保护性的体系。规范场类型的拓扑构型是对磁响应光子晶体的模型抽象与推广，它将磁响应带来的效果简化为：场在顺时针或逆时针绕着每个晶格中转一圈时，会有一个相位累积，从而打破时间反演对称性，成为陈绝缘体。如果在规范场构型的基础上再牺牲一个维度，即写出其投影能带，就得到奥布里-安德烈-哈勃(Aubry-André-Harper，AAH)模型。AAH模型可以通过低维的实空间构型表现出高维的性质，该构型总能支持其边界上的拓扑态并且由于其表述简洁，内在物理丰富，在理论和实践上都发挥了重要的作用。
非厄米体系的物理是新兴的研究领域，其主要研究的是体系哈密顿量不是厄米情况下体系的物理性质。目前的研究表明由改变折射率虚部(即增益与损耗)导致的非厄米效应会导致体系破缺，导致场只局域在具有同号虚部的一侧。但这个效应目前还只局限在理论阶段，并未得到实际的应用。
拓扑态由于其保护性可以使得器件的性能得到很大的提升，也在通讯等领域具有很大的应用前景。然而，现有的拓扑态大多是基于拼接两个拓扑不等价的厄米构型，这样的实现方法不利于拓扑态的动态调控。
发明内容
非厄米体系展现出了丰富的物理特性，本发明将非厄米效应与拓扑结合起来，提出了一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件及其实现方法，非厄米导致的破缺能够天然的使得增益与损耗畴壁处的两个边界态解耦合，从而构造出新的拓扑边界态，通过调整增益与损耗的畴壁位置与增益损耗的相对大小，即可以实现拓扑态的动态调控。
本发明的一个目的在于提出一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件。
本发明的基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件包括：衬底和微盘；其中，多个全同的微盘排列成一排，使得相邻微盘之间的耦合强度满足t+Vcos(2πβn+φ)的余弦调制，从而形成一维AAH阵列，其中，t为固定的耦合常量，V为余弦耦合的振幅系数，β是余弦函数周期的倒数，φ为相位，满足这种余弦调制的耦合强度关系的一维AAH阵列，在合成维度上具有规范场，一维AAH阵列总是拓扑的，一维AAH阵列总有零维边界态的存在；将多排一维AAH阵列排列成二维阵列，相邻的行和相邻的列之间同样满足余弦调制的耦合强度关系，从而得到二维AAH阵列，它同时支持处于二维AAH阵列边界上的受到拓扑保护的一维边界态与零维角态；二维阵列的微盘设置在衬底上，微盘的中心轴垂直于衬底；将二维AAH阵列划分为增益区域和损耗区域，位于分界线两侧的增益区域与损耗区域，在与分界线垂直的维度上至少具有六个微盘，使得增益区域与损耗区域能支持稳定的边界态；对增益区域和损耗区域分别施加不同的泵浦光垂直照射，即泵浦光的入射方向沿着微盘的中心轴；通过分别控制两个区域的泵浦光的强度，使得在增益区域，微盘材料的折射率的虚部为负，材料表现出增益性质，在损耗区域，微盘材料的折射率的虚部为正，材料表现出损耗性质，从而在增益区域与损耗区域的分界线出现畴壁；通过分别调控两个泵浦光的强度，从而增大增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异；随着增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异的增大，在畴壁处出现一个局域态，局域态的场分布既存在于增益区域也存在于损耗区域，从而在畴壁的两侧分别出现新的拓扑通道；当继续增大虚部的差异，由于非厄米导致的破缺，畴壁处的局域态会在差异大于临界值后只存在于增益区域或者损耗区域，使得一个对称分布的场变为只局域在畴壁的一侧，即拓扑通道变成只有一条，这是非厄米物理中的特有现象，破缺使得处于畴壁处的两个态解耦合，使得被激发的拓扑通道只有一条，从而使二维AAH阵列内部即畴壁处产生拓扑态。
将耦合强度关系转换成距离关系，κ表示耦合强度，d表示微盘中心的距离，转换关系满足负指数的形式，κ＝Ae-Bd，其中A和B分别为拟合参数，与微盘材料和微盘形状有关，从而按照转换后的距离构建出一维AAH阵列。
微盘为柱状结构，其水平尺寸为高度的十倍以上。
折射率的虚部随光强的改变不是线性的，不同的材料的增益曲线不同。
临界差异的确定，这与划分畴壁的形状等因素有关，并不能给出普适的规律，但是对于确定的结构，则能够通过模拟或者是利用紧束缚理论的求解来确定临界差异的值。增益区域与损耗区域的分界线为直线或折线。
衬底采用磷化铟InP、二氧化硅SiO2、二氧化钛TiO2和绝缘衬底SOI上的硅中的一种。
微盘采用铟镓砷铝AlGaInAs或钙钛矿。
本发明的另一个目的在于提出一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件的实现方法。
本发明的基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件的实现方法，包括以下步骤：
1)将多个全同的微盘排列成一排，使得相邻微盘之间的耦合强度满足t+Vcos(2πβn+φ)的余弦调制，从而形成一维AAH阵列，其中，t为固定的耦合常量，V为余弦耦合的振幅系数，β为余弦函数周期的倒数，φ为相位，满足这种余弦调制的耦合强度关系的一维AAH阵列在合成维度上具有规范场，一维AAH阵列总是拓扑的，一维AAH阵列总有零维边界态的存在；
2)将多排一维AAH阵列排列成二维阵列，相邻的行和相邻的列之间同样满足余弦调制的耦合强度关系，从而得到二维AAH阵列，二维的AAH构型也总是拓扑的，它同时支持处于边界上的受到拓扑保护的一维边界态与零维角态；
3)二维阵列的微盘设置在衬底上，微盘的中心轴垂直于衬底；
4)将二维AAH阵列划分为增益区域和损耗区域，位于分界线两侧的增益区域与损耗区域，在与分界线垂直的维度上至少具有六个微盘，使得增益区域与损耗区域能支持稳定的边界态；
5)对增益区域和损耗区域分别施加不同的泵浦光垂直照射，即泵浦光的入射方向沿着微盘的中心轴；通过分别控制两个区域的泵浦光的强度，使得在增益区域，微盘材料的折射率的虚部为负，材料表现出增益性质，在损耗区域，微盘材料的折射率的虚部为正，材料表现出损耗性质，从而在增益区域与损耗区域的分界线出现畴壁；
6)通过分别调控两个泵浦光的强度，从而增大增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异；
7)随着增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异的增大，在畴壁处出现一个局域态，局域态的场分布既存在于增益区域也存在于损耗区域，从而在畴壁的两侧分别出现新的拓扑通道；
8)当继续增大虚部的差异，由于非厄米导致的破缺，畴壁处的局域态会在差异大于临界值后只存在于增益区域或者损耗区域，使得一个对称分布的场变为只局域在畴壁的一侧，即拓扑通道变成只有一条，这是非厄米物理中的特有现象，破缺使得处于畴壁处的两个态解耦合，使得被激发的拓扑通道只有一条，从而使二维AAH阵列内部即畴壁处产生拓扑态。
其中，在步骤1)中，将耦合强度关系转换成距离关系，κ表示耦合强度，d表示微盘中心的距离，转换关系满足负指数的形式，κ＝Ae-Bd，其中，A和B分别为拟合参数，从而按照转换后的距离构建出一维AAH阵列。
在步骤8)中，通过模拟或者是利用紧束缚理论的求解来确定临界差异的值。
本发明的优点：
本发明通过非厄米导致的破缺，在二维AAH构型内部构建出新的拓扑通道，提高了拓扑态的可调控性，丰富了产生拓扑态的手段。
附图说明
图1为本发明的基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件的一维AAH阵列的示意图；
图2为本发明的基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件的畴壁的示意图。
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，本实施例的基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件包括：衬底和微盘；其中，多个全同的微盘排列成一排，使得相邻微盘之间的耦合强度满足t+Vcos(2πβn+φ)的余弦调制，从而形成一维AAH阵列，其中，t为固定的耦合常量，V为余弦耦合的振幅系数，β是余弦函数周期的倒数，φ为相位，满足这种余弦调制的耦合强度关系的一维AAH阵列，在合成维度上具有规范场，一维AAH阵列总是拓扑的，一维AAH阵列总有零维边界态的存在；将多排一维AAH阵列排列成二维阵列，相邻的行和相邻的列之间同样满足余弦调制的耦合关系，从而得到二维AAH阵列，二维的AAH构型也总是拓扑的，它同时支持处于边界上的受到拓扑保护的一维边界态与零维角态；二维阵列的微盘设置在衬底上，微盘的中心轴垂直于衬底；二维AAH阵列划分为两个区域分为增益区域G和损耗区域L，位于分界线两侧的增益区域与损耗区域可以为直线或者折线，在与分界线垂直的维度上至少具有六个微盘。本实施例中，衬底采用磷化铟InP；微盘采用铟镓砷铝AlGaInAs。
对增益区域和损耗区域分别施加不同的泵浦光垂直照射，即泵浦光的入射方向沿着微盘的中心轴；通过分别控制两个区域的泵浦光的强度，使得在增益区域，微盘材料的折射率的虚部为负，材料表现出增益性质，在损耗区域，微盘材料的折射率的虚部为正，材料表现出损耗性质，从而在增益区域与损耗区域的分界线出现畴壁；通过分别调控两个泵浦光的强度，从而增大增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异；随着增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异的增大，在畴壁处出现一个局域态，局域态的场分布既存在于增益区域也存在于损耗区域，从而在畴壁的两侧分别出现新的拓扑通道Ch1和Ch2；当继续增大虚部的差异，由于非厄米导致的破缺，畴壁处的局域态会在差异大于临界值后只存在于增益区域或者损耗区域，使得一个对称分布的场变为只局域在畴壁的一侧，这是非厄米物理中的特有现象，破缺使得处于畴壁处的两个态解耦合，使得可以被激发的拓扑通道只有一条，从而使二维AAH阵列内部即畴壁处产生拓扑态。
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 (6)

1.一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件，其特征在于，所述基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件包括：衬底和微盘；其中，多个全同的微盘排列成一排，使得相邻微盘之间的耦合强度满足t+Vcos(2πβn+φ)的余弦调制，从而形成一维AAH阵列，其中，t为固定的耦合常量，V为余弦耦合的振幅系数，β是余弦函数周期的倒数，φ为相位，满足这种余弦调制的耦合强度关系的一维AAH阵列，在合成维度上具有规范场，一维AAH阵列总是拓扑的，一维AAH阵列总有零维边界态的存在；将多排一维AAH阵列排列成二维阵列，相邻的行和相邻的列之间同样满足余弦调制的耦合强度关系，从而得到二维AAH阵列，它同时支持处于二维AAH阵列边界上的受到拓扑保护的一维边界态与零维角态；二维阵列的微盘设置在衬底上，微盘的中心轴垂直于衬底；将二维AAH阵列划分为增益区域和损耗区域，位于分界线两侧的增益区域与损耗区域，在与分界线垂直的维度上至少具有六个微盘，使得增益区域与损耗区域能支持稳定的边界态；对增益区域和损耗区域分别施加不同的泵浦光垂直照射，即泵浦光的入射方向沿着微盘的中心轴；通过分别控制两个区域的泵浦光的强度，使得在增益区域，微盘材料的折射率的虚部为负，材料表现出增益性质，在损耗区域，微盘材料的折射率的虚部为正，材料表现出损耗性质，从而在增益区域与损耗区域的分界线出现畴壁；通过分别调控两个泵浦光的强度，从而增大增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异；随着增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异的增大，在畴壁处出现一个局域态，局域态的场分布既存在于增益区域也存在于损耗区域，从而在畴壁的两侧分别出现新的拓扑通道；当继续增大虚部的差异，由于非厄米导致的破缺，畴壁处的局域态会在差异大于临界值后只存在于增益区域或者损耗区域，使得一个对称分布的场变为只局域在畴壁的一侧，即拓扑通道变成只有一条，这是非厄米物理中的特有现象，破缺使得处于畴壁处的两个态解耦合，使得被激发的拓扑通道只有一条，从而使二维AAH阵列内部即畴壁处产生拓扑态，n为整数。
2.如权利要求1所述的基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件，其特征在于，将耦合强度关系转换成距离关系，κ表示耦合强度，d表示微盘中心的距离，转换关系满足负指数的形式，κ＝Ae-Bd，其中A和B分别为拟合参数，从而按照转换后的距离构建出AAH阵列。
3.如权利要求1所述的基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件，其特征在于，所述微盘为柱状结构，其水平尺寸为高度的十倍以上。
4.一种如权利要求1所述的基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)将多个全同的微盘排列成一排，使得相邻微盘之间的耦合强度满足t+Vcos(2πβn+φ)的余弦调制，从而形成一维AAH阵列，其中，t为固定的耦合常量，V为余弦耦合的振幅系数，β为余弦函数周期的倒数，φ为相位，满足这种余弦调制的耦合强度关系的一维AAH阵列在合成维度上具有规范场，一维AAH阵列总是拓扑的，一维AAH阵列总有零维边界态的存在；
2)将多排一维AAH阵列排列成二维阵列，相邻的行和相邻的列之间同样满足余弦调制的耦合强度关系，从而得到二维AAH阵列，二维的AAH构型也总是拓扑的，它同时支持处于边界上的受到拓扑保护的一维边界态与零维角态；
3)二维阵列的微盘设置在衬底上，微盘的中心轴垂直于衬底；
4)将二维AAH阵列划分为增益区域和损耗区域，位于分界线两侧的增益区域与损耗区域，在与分界线垂直的维度上至少具有六个微盘，使得增益区域与损耗区域能支持稳定的边界态；
5)对增益区域和损耗区域分别施加不同的泵浦光垂直照射，即泵浦光的入射方向沿着微盘的中心轴；通过分别控制两个区域的泵浦光的强度，使得在增益区域，微盘材料的折射率的虚部为负，材料表现出增益性质，在损耗区域，微盘材料的折射率的虚部为正，材料表现出损耗性质，从而在增益区域与损耗区域的分界线出现畴壁；
6)通过分别调控两个泵浦光的强度，从而增大增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异；
7)随着增益区域与损耗区域的折射率的虚部的差异的增大，在畴壁处出现一个局域态，局域态的场分布既存在于增益区域也存在于损耗区域，从而在畴壁的两侧分别出现新的拓扑通道；
8)当继续增大虚部的差异，由于非厄米导致的破缺，畴壁处的局域态会在差异大于临界值后只存在于增益区域或者损耗区域，使得一个对称分布的场变为只局域在畴壁的一侧，即拓扑通道变成只有一条，这是非厄米物理中的特有现象，破缺使得处于畴壁处的两个态解耦合，使得被激发的拓扑通道只有一条，从而使二维AAH阵列内部即畴壁处产生拓扑态。
5.如权利要求4所述的实现方法，其特征在于，在步骤1)中，将耦合强度关系转换成距离关系，κ表示耦合强度，d表示微盘中心的距离，转换关系满足负指数的形式，κ＝Ae-Bd，其中A和B分别为拟合参数，从而按照转换后的距离构建出一维AAH阵列。
6.如权利要求4所述的实现方法，其特征在于，通过模拟求解来确定临界差异的值。
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