CN113204150A - 一种基于克尔非线性效应的光学波导器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于克尔非线性效应的光学波导器件，包括有谷光子晶体，所述的谷光子晶体是由克尔介质KDP晶体组成的蜂窝晶格，所述的谷光子晶体的单胞是由两种不同折射率、尺寸大小相等的介质柱构成的，两种不同介质柱的界面处产生鲁棒性边界态。通过对所述的介质柱注入强激光脉冲改变其折射率大小进而打破反演对称性，在不同的激光强度下介质柱的折射率大小不同，工作带宽不断改变。本发明利用了克尔非线性效应实现了量子谷霍尔效应并构造了谷相关的拓扑边界态，并在不同激光强度下影响工作带宽的大小，具有了动态可调的特性，设计的该器件结构简单并且性能优越。

Description

一种基于克尔非线性效应的光学波导器件
技术领域
本发明涉及非线性的拓扑光子学技术领域，尤其涉及一种基于克尔非线性效应的光学波导器件。
背景技术
谷，一个二元自由度，在石墨烯、二维过渡金属硫族化物以及其他诸多材料中都具有研究与应用。与此同时，谷作为优秀的信息载体已经不再仅局限于电子系统，在光子学、机械与弹性波、声学等其他领域中也随处可见它的身影。在过去的拓扑光子学系统中，研究者能够打破蜂窝晶格的空间反演对称性以打开狄拉克点，从而实现光量子谷霍尔效应。此后，谷霍尔效应在等离子体、激光写入波导技术以及其他平台都吸引了研究者广泛的关注。
随着对谷的进一步研究，很多优秀的成果诸如谷相关的自旋分裂、鲁棒性的拓扑边界态等都在研究者的努力下不断的被挖掘。用量子谷霍尔效应构造的拓扑态在实际的设备制造中也具有着广泛的应用，其中就包含了基于谷光子晶体所实现的具有任意分束比例的分束器以及基于前者所构造的逻辑门设备。除此之外，光学延时器、拓扑光子路由和其他设备也同样被应用到实际生活当中。在光学非线性领域，研究者已经展开了通过利用非线性效应构造拓扑态的相关工作，如利用非线性驱动拓扑平庸的绝缘体转变成拓扑非平庸的结构。此外，利用非线性拓扑态所制备的功能器件也有着重要的意义，非线性拓扑光子学让研究者的研究成果变得更加丰富多彩。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于克尔非线性效应的光学波导器件。利用克尔介质，该物质在注入激光脉冲之后将会改变自身的折射率大小，相对于其它一般的物质而言，这种介质的折射率大小随着激光强度变化而更加敏感。也正因为如此带来了拓扑特性不同的两种谷光子晶体进而在界面处产生相应的鲁棒性拓扑边界态，研究了该拓扑边界态的相关性质，诸如单向传输等特性。与此同时，我们在理论上提出了不断改变激光脉冲的强度下，工作带隙的大小也在随之相应的变化。上述设计的波导器件不仅具有单向传输以及高效的光波传输等性能，同时还具有传输不同工作频率电磁波的可调特性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于克尔非线性效应的光学波导器件，包括有谷光子晶体，所述的谷光子晶体是由克尔介质KDP晶体组成的蜂窝晶格，所述的谷光子晶体的单胞是由两种不同折射率、尺寸大小相等的介质柱构成的，两种不同介质柱的界面处产生鲁棒性边界态，在不同的激光强度下边界态的工作带宽也是不同的，具有动态可调的特性，也因此使波导器件具有了优良传输的特性。
将非线性与拓扑结合，利用光学克尔效应实现光量子谷霍尔效应。
通过对所述的介质柱注入强激光脉冲改变其折射率大小进而打破反演对称性，在不同的激光强度下介质柱的折射率大小不同，工作带宽不断改变，导致波导的工作带宽也是在不断改变，具有动态可调的特性。
通过构造不同耦合到真空的之子形终端界面，利用仿真结果证实之子形的终端具有谷光子晶体保护性。
本发明的优点是：本发明将非线性与拓扑光子学很好的结合在一起，其中谷光子晶体由克尔介质构成，该类物质具有三阶非线性极化效应。在强激光的注入下，由于光学克尔效应的作用，引起物质折射率的变化从而打破反演对称，在这不需要通过降低结构自身的对称性来实现光量子谷霍尔效应。与此同时，由于可以不断改变注入的激光强度，不同介质柱的折射率也是在不断的变化，带来的直接影响就是能带带隙大小和工作带宽的不断改变。在实际应用中意味着该结构在不同的激光强度下具有了动态可调的特性。最后，在验证边界态的单向性和鲁棒特性之外，还利用蜂窝晶格验证了光束在之子型终端耦合到真空的过程当中，尽管波导结构和真空阻抗不匹配，但是仍会很好的传输到真空当中，而不会发生反射，而对扶手椅型的终端，光束在经过该类型的界面并传输到真空却发生了后向散射，证实了之字型终端的谷保护特性。
本发明利用了克尔非线性效应实现了量子谷霍尔效应并构造了谷相关的拓扑边界态，并在不同激光强度下影响工作带宽的大小，具有了动态可调的特性，设计的该器件结构简单并且性能优越。
附图说明
图1是本发明结构示意图。(图1a为谷光子晶体单胞结构示意图；图1b为两种不同拓扑特性的晶体构造边界示意图)
图2为在横磁模式下能带简并以及简并点分离的情况图。(图2a为两个介质柱折射率相等时能带简并以及简并点分离的情况图；图2b为两个介质柱折射率不等时能带简并以及简并点分离的情况图)
图3为K谷处Band 1和Band 2的本征态的电场Ez和能流分布图。
图4为K谷处Band 1和Band 2的本征态的电场相位分布图。
图5是谷陈数不同的两种谷光子晶体及其构造的边界态示意图。(图5a中左图为两种不同谷光子晶体VPC1和VPC2结构示意图，图5a右图为利用俩种谷光子晶体构造边界态示意图；图5b为随着折射率Δn的变化谷陈数变化情况；图5c为在界面处产生边界态的仿真结果)
图6是验证边界态单向传输的电场分布图。(图6a为在界面中心五角星处加入激励源示意图；图6b为VPC1和VPC2的椭圆角γ分布图；图6c不同手性激励源沿边界单向传输示意图；图6d为单向传输电场分布图)
图7是验证边界态鲁棒特性和高透射特性的示意图。(图7a、图7b为验证边界态抗急弯特性示意图及电场分布图；图7c、图7d为直边界结构示意图及电场分布图；图7e、图7f为缺陷边界示意图与电场分布；图7g为对应边界类型的透射谱)
图8是分别在之字形终端和扶手椅形终端处光束传输到真空的电场分布结果图。(图8a、图8b为针对扶手椅终端的结构示意图及电场分布；图8c、图8d为针对之字形终端的结构示意图及电场分布图)
具体实施方式
最近些年，谷作为非常优秀的信息载体已经吸引了研究者极大的兴趣，也正因为如此谷的概念被引入到了光子学领域。随着对谷光子晶体的深入研究，在应用层面将会具有广泛的空间。然而，在之前的相关工作中，大多数的光拓扑谷霍尔边界态是通过对结构的旋转以及尺寸大小的变化来打破空间反演对称而构造的，因此部分利用这些方式构造的拓扑态并不具有可调的特性。本发明中，利用了克尔非线性效应来实现拓扑边界态的产生，通过改变注入的激光脉冲强度来动态的调整结构折射率大小并以此来研究边界态的相关特性，以此实现了一种具有优良传输特性的波导器件。这项工作可能会为光子设备的通信与信息处理带来新的方向并在未来拥有光明前景。具体如下：
一种基于克尔非线性效应的光学波导器件，谷光子晶体是由克尔介质KDP晶体所组成的蜂窝晶格，其中单胞是由俩种不同折射率但尺寸大小相等的介质柱构成。在俩种不同谷光子晶体界面处产生了具有可调特性的边界态。
在上述结构的波导结构中心处加入手性相反的激励源验证边界态的单向特性；同时，构造了不同类型的波导界面验证了边界态的鲁棒特性和高透射特性；最后，我们构造了不同耦合到真空的终端界面，利用仿真结果证实了之子形的终端具有谷保护的特性，光束在该终端传输到真空的过程中不会产生反射，而是很好的传输到了真空当中。
如图1所示：图1(a)中所设计的谷光子晶体是由克尔介质KDP晶体所组成的蜂窝晶格。单胞由图示中单个六角晶格中A棒(灰色圆棒)、B棒(黑色圆棒)俩圆柱棒构成。其中，A棒的直径为dA＝0.5a而B棒的直径参数也是dB＝0.5a，二者的直径相等，其中a是晶格常数。与此同时，A棒和B棒的折射率为nA＝nB＝1.49。图1(b)是用两种不同拓扑特性的晶体构造的边界，这将在下文中详细描述。图2描述了在横磁模式下(TM)，能带简并以及简并点分离的情况。当nA＝nB，也就是在未注入激光的初始状态下，灰色棒与黑色棒的折射率相同，此时光子晶体具有空间反演对称，因此在第一布里渊区中K(K’)谷的250THZ频率处出现了一对简并点，如图2(a)中所示。当通过注入激光脉冲改变介质柱的折射率大小使nA与nB不相等，此时打破了结构的反演对称，这种干扰导致了在K(K’)点处能带的简并点打开，出现了一条完整的带隙，其带隙的范围为240-268THz，如图2(b)所示。同时我们也绘制了K谷处2个本征态的电场分布与时均坡印廷矢量，即图中K谷处Band 1和Band 2的本征态的电场Ez和能流分布，如图3所示我们可以看到在Band 1处本征态在K谷的能流分布是左旋圆偏振(LCP)，在Band2处能流是右旋圆偏振(RCP)。在时间反演的情况下，我们可以直接得到K’谷处相应本征态的能流分布。在图4中，我们也绘制了图3中相对应本征态的电场相位分布图，即arg(Ez)分布情况，我们可以看到对于K谷处Band 1的电场相位是以2π相位顺时针减少，而Band 2处电场相位则是以2π相位逆时针减少。
如图5所示，我们可以看到在对黑色介质柱注入相应的激光脉冲后使nA≠nB从而可以得到两种不同的谷光子晶体VPC1、VPC2。这两种光子晶体的谷陈数是不同的，可以通过下列的哈密顿量来计算。
有效哈密顿量表达式为：
HK/K'(δk)＝±(vDδkxσx+vDδkyσy)±mvD 2σz
上式最后一项为干扰项，由反演对称性破缺带来。
通过求解有效哈密顿量，得到的贝利曲率表达式如下：
Figure BDA0003065652210000051
上式为在K/K’谷处的贝利曲率。
最终利用贝利曲率得到的谷陈数如下：
Figure BDA0003065652210000052
从上式我们可以得出谷陈数的正负依据于m，而m的正负主要归源于A棒和B棒的折射率大小的差。因此我们可以得到图5(b)中的陈数变化图的结果。也正利用了这两种拓扑不同的晶体构造了相应界面类型的边界态。
图6是为了验证边界态的单向传输特性的电场分布。其中图6(b)是为了在验证单向传输特性之前而仿真得出的偏振椭圆角χ分布，利用χ角的分布结果证实该结构具有谷手性锁定的特性，利用谷手性锁定特性我们可以实现在不同手性源下激发不同的谷态。
图7是四种不同波导类型处的电场分布，验证了边界态的强鲁棒特性并在之后的工作中验证了一定工作带宽内边界态的高透射特性。
图8是在两种不同终端处光束耦合到真空的电场分布，尽管波导结构和真空阻抗不匹配，但是针对之子形的终端，由于谷保护的特性，光束可以无后向散射的传输到真空中，而对扶手椅类型的终端最终结果却正好相反，尽管边界态抑制散射，但是在终端处却仍会由于自身结构导致了无谷保护特性进而带来了后向散射，而不能很好的耦合到真空当中。仿真结果证实了我们的结论。

Claims (3)

1.一种基于克尔非线性效应的光学波导器件，其特征在于：包括有谷光子晶体，所述的谷光子晶体是由克尔介质KDP晶体组成的蜂窝晶格，所述的谷光子晶体的单胞是由两种不同折射率、尺寸大小相等的介质柱构成的，两种不同介质柱的界面处产生鲁棒性边界态。
2.根据权利要求1所述的一种基于克尔非线性效应的光学波导器件，其特征在于：通过对所述的介质柱注入强激光脉冲改变其折射率大小进而打破反演对称性，在不同的激光强度下介质柱的折射率大小不同，工作带宽不断改变。
3.根据权利要求1所述的一种基于克尔非线性效应的光学波导器件，其特征在于：通过构造不同耦合到真空的之子形终端界面，利用仿真结果证实之子形的终端具有谷光子晶体保护性。
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