CN113219583A - 一种具有拓扑保护的光波导器件、分束器及波分器 - Google Patents

一种具有拓扑保护的光波导器件、分束器及波分器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有拓扑保护性质的光波导器件、分束器及波分器，在拓扑平庸光子晶体结构的中间一排晶胞中，去掉每个晶胞的中间两个介质柱构建一个线缺陷结构。基于该线缺陷结构构建一个树型传输通道。本发明由拓扑平庸光子晶体构建的Y型光波导器件，通过调节输入通道和输出通道中的保留介质柱半径大小可实现拓扑分束器和波分器的功能，所述拓扑分束器在工作频率范围0.4536～0.4717(2πc/a)内能实现高于80％以上的传输效率。所述拓扑波分器可将工作频率范围0.4536～0.4717(2πc/a)分为0.4536～0.4623(2πc/a)和0.4623～0.4717(2πc/a)两段频率范围，实现两段范围内的电磁波从不同的输出通道传输，且每个输出通道的传输效率均高达90％以上。本发明所述的拓扑光波导器件具有良好的单向性，稳定性和高效性。

Description

一种具有拓扑保护的光波导器件、分束器及波分器
技术领域
本发明涉及拓扑光子晶体应用领域，特别涉及一种利用拓扑光子晶体实现的具有拓扑保护的光波导器件、分束器及波分器。
背景技术
光子晶体因其具有光子禁带和光子局域两大特性，受到研究人员高度重视，利用两大特性实现的光子晶体波导，已被广泛地应用在光通信器件中，如光子晶体分束器和波分器，但是基于这种光子晶体波导构建的光波导器件有一个不足的地方，就是不具有单向性，光波导器件的缺陷会引起背向散射，因此它的总传输效率会因为反向传输而变得很低。自从电子系统中拓扑绝缘体被引入光学领域，具有拓扑保护的光子晶体可以完美解决这个问题。首先发现的基于量子霍尔效应的磁光光子晶体，通过外加强磁场打破时间反演对称性，实现手性边界态，即单向电磁边界传输模式。该模式具有抑制背向散射的优点，应用在光波导器件中可以提高器件的传输效率，但若要实现单向传输模式需要磁性材料和外加强磁场，这大大提高了工艺制备的成本。然而，基于量子自旋霍尔效应的拓扑光子晶体，只需利用普通介质材料就可以实现抑制背向散射的单向传输，而不需要磁性材料和外加磁场，具有极大的应用前景。因此拓扑光子晶体的单向传输特性为研究人员设计性能更加优越的光波导器件提供了新颖的思路。
具有蜂窝晶格的光子晶体晶胞在保证C6对称性不变的前提下体进行压缩和扩张，得到具有两种不同拓扑性质的晶胞。利用一种拓扑性质的晶胞构建三角晶格周期性排列的结构，并且去除一行晶胞正中间的一排介质柱来构建线缺陷结构，而该结构具有受拓扑保护的单向传输模式。，而该结构具有受拓扑保护的单向传输模式。该模式的传输方向依赖于角动量自旋极化方向，当在界面处放置携带轨道角动量的谐振源时，会激励单向涡流状翻转传输的光流。因此利用拓扑光子晶体的单向传输特性，我们可以设计出单向并且稳定的光波导器件。
发明内容
针对普通光子晶体光波导器件的背向散射问题，本发明设计了一种具有拓扑保护的光波导器件、分束器和波分器，基于拓扑光子晶体构建的受拓扑保护的单向传输模式，可以解决传统分光波导器件背向散射和稳定性差的问题。
本发明所述光波导器件的模型，主要在多层排列的拓扑平庸光子晶体结构的中间一排晶胞中，去掉每个晶胞的中间两个介质柱，保留上下4个介质柱构建一个线缺陷结构，基于该线缺陷构建一个传输通道。
具有拓扑保护的光波导器件，其特征在于，主要由在多层排列的拓扑平庸光子晶体结构中构建树形传输通道，所述传输通道为位于传输通道中的残留晶胞构成，所述残留晶胞为仅保留位于传输通道边界线上的四个保留介质柱，多个依次排列的残留晶胞形成线缺陷结构；
所述拓扑平庸光子晶体结构中的晶胞均由圆形的介质柱呈C6对称的方式排列构成，晶胞的二维截面为正六边形；所述相邻两个晶胞中心的距离为晶格常数a，晶胞中心到介质柱中心的距离R，介质柱的半径大小为r，拓扑平庸性质的晶胞满足a/R＞3。
进一步地，所有的所述介质柱处在空气背景环境中，所述介质柱均采用普通硅材料制成。
进一步地，所述晶格常数a＝1μm，线缺陷结构宽度d＝1μm，拓扑光子晶体的圆形介质柱的半径r＝0.12μm，传输通道中的保留介质柱的半径为可调谐的。
进一步地，所述树形传输通道的输入端为一个，输出端为多个。
基于所述的具有拓扑保护的光波导器件的分束器，其特征在于，所述树形传输通道输入通道、输出通道中的保留介质柱半径一致。
进一步地，所述的分束器中所述保留介质柱的半径为r＝0.12μm。
进一步地，所述的分束器的工作频域范围为0.436(2πc/a)～0.4717(2πc/a)，工作频域范围内的电磁波在所述分束器中呈现单向传输，传输效率整体上高于80％以上。
基于所述的具有拓扑保护的光波导器件的波分器，其特征在于，所述树形传输通道的输入通道、输出通道中的保留介质柱的半径大小不同。
进一步地，所述的波分器中所述树形传输通道的输入通道为一个、输出通道为两个的Y型结构，输入通道中保留介质柱的半径为r1＝0.12μm，第一输出通道中保留介质柱的半径为r2＝0.11μm，第二输出通道中保留介质柱的半径为r3＝0.13μm。
进一步地，所述的波分器的整体工作频率范围为0.4536(2πc/a)～0.4717(2πc/a)，在工作频率范围0.4536(2πc/a)～0.4623(2πc/a)内的电磁波内的电磁波能够单向向第二输出通道传输，且传输效率在97％；在工作频率范围0.4623～0.4717(2πc/a)的电磁波能够单向向第一输出通道传输，且传输效率在93％左右。
与普通光子晶体波导结构相比，本发明具有以下有益效果：
通过对普通蜂窝状光子晶体(a/R＝3)向中心压缩，可以得到具有拓扑平庸性质(a/R>3)的光子晶体。当去掉拓扑平庸光子晶体中的一排介质柱构建一个线缺陷结构时，该结构的能带中具有一条边界态，且该边界态所在的工作频率范围为整个系统结构的工作带宽。将携带具有轨道角动量的谐振源放置在拓扑平庸光子晶体与保留介质柱的边界上时，可以激励具有自旋传播性质的电磁波，使得电磁波被局域在线缺陷中单向传输，该传输模式具有拓扑保护性质，所以该结构不仅具有光子局域性，还能实现抑制背向散射的单向传输特性。
基于线缺陷结构设计的Y型拓扑分束器，在工作带宽内整体传输效率高于80％，最高可达到87％。在工作频率范围可以实现稳定的单向传输。因此，基于拓扑平庸光子晶体构建的Y型拓扑分束器具有很大的应用潜力。
基于线缺陷结构设计的拓扑波分器，可以将从输入端流入的两个不同频率的光从不同的通道输出。其工作带宽可以分成两个部分，前半部分工作频率会单独向Y型分支的一个通道传输，后半部分的工作频率单独向另一个通道传输，且它们的传输效率均高于90％以上。因此基于拓扑平庸光子晶体构建的波分器具有很大的应用潜力。
本发明提供的拓扑光子晶体光波导结构可以通过调整晶格常数，实现调整工作频率范围的目的，在工程应用中可以根据实际需求，设计适合不同频率及带宽的光波导结构。
附图说明
图1为二维拓扑平庸光子晶体结构示意图，C6晶胞按照三角晶格周期排列。其中晶格常数为a＝1μm，拓扑平庸光子晶体中介质柱的半径为r＝0.12μm，拓扑平庸光子晶体晶胞比例为a/R＝3.1，介质柱的介电常数为εr＝11.7，空气背景的介电常数为ε0＝1。
图2为本发明所述的具有拓扑保护的光波导器件一个实施例的结构图，黑色虚线为保留介质柱与拓扑光子晶体之间的界面。
图3中(a)本发明提供的光波导器件作为分束器的超晶胞结构示意图，传输通道里的保留介质柱的半径为r＝0.12μm，两条虚线边界的间距为d＝1μm。图3(b)为对该超晶胞进行参数扫描计算所得的能带图，其中浅色区域为工作频率范围，上下箭头表示赝上自旋和赝下自旋边界态，图3(c)为图3(b)对应的A点和B点分别由相应的电源激励的赝上自旋和赝下自旋态，实现电磁波单向向左和向右传输的电场分布和波印廷矢量图。
图4(a)为归一化频率为0.466(2πc/a)处的电磁波在图2结构中传输的电场分布示意图，其中五角星为谐振源位置，赝上自旋态被携带负轨道角动量的谐振源激励，实现单向向右传输，图4(b)为所述分束器传输效率图。
图5为基于图3(a)中的超晶胞通过设置不同保留介质柱的半径大小计算所得的能带图。
图6(a)和(b)为本发明提供的波分器在归一化频率0.4583(2πc/a)和0.4633(2πc/a)处的电场分布图。
图7为本发明提供的拓扑波分器的传输效率图，实线为下输出通道的传输效率。虚线为上输出通道的传输效率。
图中1，2，3-拓扑平庸光子晶体组成，4-拓扑平庸光子晶胞，5-拓扑平庸光子晶体的介质柱，6-输入通道，7-输入通道的保留介质柱，8-第一输出通道，9-第一输出通道的保留介质柱，10-第二输出通道，11-第二输出通道的保留介质柱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的具有拓扑保护的光波导器件，是在多层排列的拓扑平庸光子晶体结构中构建树形传输通道，所述传输通道为位于传输通道中的残留晶胞构成，所述残留晶胞为仅保留位于传输通道边界线上的四个保留介质柱，多个依次排列的残留晶胞形成线缺陷结构，该线缺陷结构即为传输通道。
图1中左图所示的是由6个介质柱呈C6对称的方式排列组成的拓扑平庸光子晶胞以三角周期性排列所构成的拓扑平庸光子晶体结构，右图放大单元为一个C6对称结构的拓扑平庸光子晶体晶胞。两个相邻两个晶胞中心的距离为晶格常数a＝1μm，晶胞中心到介质柱中心的距离R，本发明使用的是拓扑平庸光子晶体，其晶胞满足
Figure BDA0003040144430000041
本实施例中满足a/R＝3.1，在单元晶胞结构中圆形介质柱的半径为r＝0.12μm，εr为介质柱的介电常数，ε0为空气背景的介电常数。由于介质柱为硅材料，则εr＝11.7，空气背景的介电常数为ε0＝1。
图2所示为本发明所述的具有拓扑保护的Y型光波导器件，其基础晶体结构为拓扑平庸光子晶体，在拓扑平庸光子晶体中，构建的传输通道具有一个输入通道，两个输出通道，即Y型传输通道，将拓扑平庸光子晶体划分为三部分，即拓扑平庸光子晶体组成1、2、3。该结构的光波导器件可能实现抑制背向散射的单向传输特性。
图2中的黑色虚线为保留介质柱与拓扑光子晶体之间的界面，注意这些保留介质柱的半径是可调谐的。基于图2的Y型传输通道结构，将所有输入通道、输出通道中的保留介质柱的半径保持一致，即可实现分束功能，形成分束器。本实施例中，输入通道的保留介质柱7、第一输出通道的保留介质柱9、第二输出通道的保留介质柱11的均采用半径为r＝0.12μm的介质柱。
图3(a)是本发明所述的拓扑分束器的超晶胞，本发明提供的分束器结构中d＝1μm，r＝0.12μm。通过超晶胞计算本发明所述结构的能带图，计算结果如图3(b)所示。根据体态-边界对应原则，由于当前系统结构中只存在一种拓扑结构，所以在能带带隙内只出现一条边界态。该边界态的位置与上下两边的体态都有一段距离，且这条边界态完全处于能带带隙中，所以该结构的工作带宽为这条边界态所在的频率范围，即灰色区域0.436(2πc/a)～0.4717(2πc/a)。根据赝自旋-波矢锁定，能带图中A点和B点分别表示当波矢kx＜0时的赝上自旋态和波矢kx>0时的赝下自旋态。而对应A点和B点的能量分布和能流方向如图3(c)所示，其中的赝上(赝下)自旋需要通过携带正(负)轨道角动量的谐振源来激励，而被激励的赝上(赝下)自旋态可以引导波导向左(右)传输。实现在两个边界和空气缺陷中实现抑制背向散射的单向传输。
为了更好的观察本发明所述的拓扑分束器的传输效果，本发明选择图3(b)能带图中的归一化频率0.464(2πc/a)进行数值模拟，模拟的电场分布图如图4(a)所示。图4(a)中五角星为谐振源所在位置。本发明设计的方向是向右传输分束，所以根据角动量与自旋方向的关系，本发明使用负轨道角动量的的谐振源，激励赝下自旋态，实现抑制背向散射的单向向右传输。图4(a)中展示良好的单向性和光子局域性，几乎所以的光被局域在线缺陷中传输。同样图中展示良好的分束效果，模式传输很稳定。
进一步了解本发明所述的拓扑分束器的性能，本发明在输入通道6、第一输出通道8、第二输出通道10三个通道中插入三个探针，测量它们在工作带宽内的时均功率流密度，通过所测得的功率来计算第一输出通道8、第二输出通道10两个输出通道和整个系统的传输效率，它们的传输效率如图4(b)所示。三条曲线分别代表第一和第二输出通道和整个分束器的传输效率，可看出两个输出通道的曲线相互交叉，说明在工作带宽中某些频率可以实现两个输出通道均分传输。总传输效率曲线在工作带宽范围内呈平缓趋势，且整体高于80％，最高可达到87％，说明本发明提出的拓扑分束器在工作带宽内可以实现稳定高效的单向传输。
基于图2的Y型传输通道结构，由于处于传输通道中的保留介质柱半径的大小能影响工作频率的范围，所有将输入通道的保留介质柱7、第一输出通道的保留介质柱9、第二输出通道的保留介质柱11设置为不同的半径大小，构建本发明所述的光波导器件中的波分器。
图5为基于图3(a)中超晶胞设置不同保留介质柱的半径大小所得的能带图，图中展示了保留介质柱半径分别为r1′＝0.11μm，r2′＝0.12μm，r3′＝0.13μm，r4′＝0.14μm，r5′＝0.15μm的传输通道在能带带隙中的色散曲线，随着介质柱半径增大，色散曲线下移，相邻的两条色散曲线有公共的工作频率区域，但间隔一条或者几条的色散曲线没有公共区域，所以可以说明三条连续的色散曲线中，中间的色散曲线在它上下相邻的色散曲线都有公共区域，也就是三个相邻半径大小的结构，中间半径大小的结构可以实现在公共频率范围内向另外两个半径大小的结构传输波导。所以基于这个发现，本发明所述的拓扑波分器的结构设计是将图2中输入通道6中的保留介质柱7的半径大小设置为r1＝0.12μm，第一输出通道8中的保留介质柱9的半径大小设置为r2＝0.11μm，第二输出通道10中的保留介质柱1的半径大小设置为r3＝0.13μm。
由于输入通道6中保留介质柱7的半径为r1＝0.12μm，所以拓扑波分器的整体工作频率范围为图5中r2′＝0.12μm对应的色散曲线所在的归一化频率范围0.4536～0.4717(2πc/a)。图5中可以看出r2′＝0.12μm和r3′＝0.13μm的对应的色散曲线的频率范围有重叠部分，即归一化频率范围0.4536(2πc/a)～0.4623(2πc/a)，r2′＝0.12μm和r1′＝0.11μm对应的色散曲线的频率范围也有重叠部分，即归一化频率范围0.4623(2πc/a)～0.4717(2πc/a)，因此图6中第一输出通道8可以允许频率范围0.4536～0.4623(2πc/a)内的电磁波传输。第二输出通道10可以允许频率范围0.4623～0.4717(2πc/a))内的电磁波传输。在这两个频率范围内分别选取两个归一化频率0.4583(2πc/a)和0.4633(2πc/a)分别计算它们的电场分布图，计算结果如图6(a)和(b)所示。图6(a)展示了在归一化频率0.4583(2πc/a)处电磁波单向向上通道传输，但有少量的背向散射。图6(b)展示了在归一化频率0.4633(2πc/a)处电磁波单向向下通道传输，且能很好的抑制背向散射。
为了进一步了解拓扑波分器的性能，通过测量输入通道6、第一输出通道8、第二输出通道10三个通道的能量来计算第一输出通道8、第二输出通道10的传输效率，如图7所示。图中两条曲线分别是第一输出通道8、第二输出通道10两个输出通道的传输效率，在工作频率0.4536(2πc/a)～0.4623(2πc/a)的工作频率范围内，第二输出通道10的传输效率可以平稳的在97％左右，而第一输出通道8的传输效率为0。在0.4623～0.4717(2πc/a)的工作频率范围内，第一输出通道8的传输效率可以平稳的在93％左右，而第二输出通道10的传输效率为0。说明本发明所述的波分器可以实现在工作频率范围内的前半部分0.4536(2πc/a)～0.4623(2πc/a)稳定的单向向第二输出通道10传输，后半部分0.4623(2πc/a)～0.4717(2πc/a)稳定的单向向第一输出通道8传输，且都能很好的抑制背向散射和高效的传输。
所述的所以实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。凡从本发明所公开的内容直接联想到的结构，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.具有拓扑保护的光波导器件，其特征在于，主要由在多层排列的拓扑平庸光子晶体结构中构建树形传输通道，所述传输通道为位于传输通道中的残留晶胞构成，所述残留晶胞为仅保留位于传输通道边界线上的四个保留介质柱，多个依次排列的残留晶胞形成线缺陷结构；
所述拓扑平庸光子晶体结构中的晶胞均由圆形的介质柱呈C6对称的方式排列构成，晶胞的二维截面为正六边形；所述相邻两个晶胞中心的距离为晶格常数a，晶胞中心到介质柱中心的距离R，介质柱的半径大小为r，拓扑平庸性质的晶胞满足a/R＞3。
2.根据权利要求1所述的具有拓扑保护的光波导器件，其特征在于，所述介质柱均采用普通硅材料制成。
3.根据权利要求1所述的具有拓扑保护的光波导器件，其特征在于，所述晶格常数a＝1μm，线缺陷结构宽度d＝1μm，拓扑光子晶体的圆形介质柱的半径r＝0.12μm，传输通道中的保留介质柱的半径为可调谐的。
4.根据权利要求1所述的具有拓扑保护的光波导器件，其特征在于，所述树形传输通道的输入端为一个，输出端为多个。
5.基于权利要求1所述的具有拓扑保护的光波导器件的分束器，其特征在于，所述树形传输通道输入通道、输出通道中的保留介质柱半径一致。
6.根据权利要求5所述的分束器，其特征在于，所述保留介质柱的半径为r＝0.12μm。
7.根据权利要求6所述的分束器，其特征在于，所述的分束器的工作频域范围为0.436(2πc/a)～0.4717(2πc/a)，工作频域范围内的电磁波在所述分束器中呈现单向传输，传输效率整体上高于80％以上。
8.基于权利要求1所述的具有拓扑保护的光波导器件的波分器，其特征在于，所述树形传输通道的输入通道、输出通道中的保留介质柱的半径大小不同。
9.根据权利要求8所述的波分器，其特征在于，所述树形传输通道的输入通道为一个、输出通道为两个的Y型结构，输入通道中保留介质柱的半径为r1＝0.12μm，第一输出通道中保留介质柱的半径为r2＝0.11μm，第二输出通道中保留介质柱的半径为r3＝0.13μm。
10.根据权利要求9所述的波分器，其特征在于，所述的波分器的整体工作频率范围为0.4536(2πc/a)～0.4717(2πc/a)，在工作频率范围0.4536(2πc/a)～0.4623(2πc/a)内的电磁波内的电磁波能够单向向第二输出通道传输，且传输效率在97％；在工作频率范围0.4623～0.4717(2πc/a)的电磁波能够单向向第一输出通道传输，且传输效率在93％左右。
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