CN113419303B - 一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构 - Google Patents

一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于量子光学材料技术领域，公开了一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，包括hBN基底，所述hBN基底上刻蚀有多个三角形的空气孔；以光入射方向为界，位于hBN基底一侧的多个三角形空气孔呈三角晶格周期性排列形成第一能谷光子晶体结构，位于hBN基底另一侧的多个三角形空气孔呈三角晶格周期性排列形成第二能谷光子晶体结构，第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构的晶格方向平行于光入射方向，且第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构中的空气孔对向错位设置，在交界处形成拓扑光波导。本发明可以实现可见光波段RCP/LCP光波单向传输，为设计可见光波单向传输设备开辟了新的可能性，并将在光通信和量子光学中找到广泛的应用。

Description

一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构
技术领域
本发明属于量子光学技术领域，具体属于光量子通信领域，具体涉及一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构。
背景技术
在光通信领域中，光量子技术微型化和集成化是光通信的发展趋势，这就要求光子器件在光子芯片中高度集成。而可集成、高性能的单向光传输器件作为集成光子芯片中的关键元件不可或缺。单向光传输器件能传输一个方向的光子，阻挡反方向传输的光子，起着保持逻辑回路稳定性的作用。而高性能的单向光传输器件，需要满足高正向透射率；高透射对比度；尺寸小可集成；宽工作带宽等条件。
拓扑光子晶体由于能实现高效率、低损耗的单向传输而备受关注。其中光量子谷霍尔效应实现的能谷光子晶体（Valley photonic crystal，VPC），通常使用与光子兼容的介电材料或半导体材料，通过降低系统的对称性，破坏狄拉克锥状色散产生带隙，发生拓扑相变。2019年，Shalaev等（Robust topologically protected transport in photoniccrystals at telecommunication wavelengths. Nature Nanotechnology, 2019, 14,31-34）结合平面硅三角孔形光子晶体的特性和拓扑保护的概念，在实验上制造了光通信波段的光学拓扑绝缘体，实现了谷霍尔效应和高效率单向传输。但是许多拓扑光子学结构需要复杂的几何设计难以加工，而且目前的材料还无法工作在可见光波段，因此在可见波长范围内设计谷光子晶体仍具有一定的挑战性。
Peng等（Probing the band structure of topological silicon photoniclattices in the visible spectrum, Physical Review Letter, 2019, 122 (11),117401）研究设计和制造了硅材料二维六角晶格光子晶体在可见光谱范围具有拓扑带结构的谐振器，但在可见光波长范围内硅损耗增加，很难实现可见光的高效单向传输。因此，寻找新的材料设计工作在可见光区域的单向传输器件是研究新型集成光子芯片的一大发展趋势。
二维六方氮化硼（hexagonal Boron Nitride，hBN）拥有许多独特的特性，包括高的机械强度、良好的导热性、出色的化学和热稳定性。已有报道，Sejeong Kim等（Photoniccrystal cavities from hexagonal boron nitride, Nature Communications,2018,9,2623）设计了独立式二维hBN光子晶体腔的品质因子达到2000以上，可用于在室温下超亮且可见光稳定的量子单光子光源，这证实了实验制造在可见光至近红外波段工作的hBN光子晶体结构的可行性。而且二维hBN是一种在可见光波段内吸收很低的电介质材料，且折射率相对较大（~2.4）；hBN本身的量子单光子光源可与能谷光子晶体配合连接。因此，应用独立式hBN结构是一种可行的解决方案，便于光子芯片的集成，谷光子晶体的单向耦合传输的实现对hBN量子光学平台的发展有着潜在的应用价值。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，以实现高效可见光波单向传输。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，包括hBN基底，所述hBN基底上刻蚀有多个三角形的空气孔；以光入射方向为界，位于hBN基底一侧的多个三角形空气孔呈三角晶格周期性排列形成第一能谷光子晶体结构，位于hBN基底另一侧的多个三角形空气孔呈三角晶格周期性排列形成第二能谷光子晶体结构，第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构的晶格方向平行于光入射方向，且第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构中的空气孔对向错位设置，在交界处形成拓扑光波导。
具体地，所述空气孔的半径，即三角形顶点到中心的距离为130nm；第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构的晶格常数，即相邻两个三角形空气孔中心之间的距离为a=270nm。
优选地，所述hBN基底的厚度和hBN空气孔的深度均为220 nm。
优选地，在可见光波段内，hBN基底在x方向与y方向的折射率均为色散折射率，z方向的折射率为1.84，其中，x-y平面为hBN基底所在平面，z为垂直于hBN基底的方向；空气的折射率为1。
优选地，形成拓扑光波导的上下两排对向三角形空气孔的几何中心的距离h的取值范围为0.2a-0.4a，其中a为晶格常数。
优选地，所述的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，其制备方法为：
首先在有SiO2的硅基底上沉积hBN基底层；
然后在hBN基底层上涂上光刻胶，使用电子束光刻技术制作出整个器件结构的图形，包括器件轮廓，以及孔洞的图形；
以制作过图形的光刻胶为掩模，采用离子束刻蚀法进行刻蚀，进而刻蚀形成空气孔和整个器件结构的轮廓；
最后去除光刻胶，从而制备出能实现可见光波单向传输的能谷光子晶体结构。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，可实现可见光波段的光波单向传输。基于自旋谷锁定效应，左旋圆偏振（LCP）光和右旋圆偏振（RCP）光在能谷光子晶体（Valley photonic crystal，VPC）结构中实现了谷偏振选择单向耦合传输，在可见光范围内正向透射率大于0.9，实现了圆偏振光的鲁棒性单向传输。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构示意图；
图2是蜂窝晶格hBN光子晶体结构和本实施例中的第一能谷光子晶体结构的能带图，其中阴影部分是光锥；
图3是本发明实施例中的第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构界面边缘态的能带图，其中阴影部分是光锥；
图4为本发明实施例中的hBN基底在x-y平面内的色散折射率曲线（a）和右旋圆偏振光在本发明的晶体结构中传输的透射率图（b）；
图5是680 nm处的LCP与RCP光波在本发明的结构中传播的电场强度分布图。
图中：1为hBN基底，2为空气孔，3为拓扑光波导，4为第一能谷光子晶体结构，5为第二能谷光子晶体结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1所示，本发明实施例一提供了一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，包括hBN基底1，所述hBN基底1上刻蚀有多个截面为三角形的空气孔2；所述空气孔2的深度等于所述hBN基底层的厚度；以光入射方向为界，位于hBN基底1一侧的多个三角形空气孔2呈三角晶格周期性排列形成第一能谷光子晶体结构（VPC1）4，位于hBN基底1另一侧的多个三角形空气孔2呈三角晶格周期性排列形成第二能谷光子晶体结构（VPC2）5，第一能谷光子晶体结构4和第二能谷光子晶体结构5的晶格方向平行于光入射方向，且第一能谷光子晶体结构4和第二能谷光子晶体结构5中的空气孔2对向错位设置，在交界处形成拓扑光波导3。
此外，如图1所示，本实施例中，空气孔的截面三角形的边长方向与三角晶格方向平行，而且，所述的对向错位设置中的“对向”是指：以光入射方向为参考，第一能谷光子晶体结构4和第二能谷光子晶体结构5中的空气孔的三角形顶点相对设置；所述的对向错位设置中的“错位”是指，第一能谷光子晶体结构4和第二能谷光子晶体结构5中，位于交界处的一排三角形空气孔以不重叠的方式，均匀交错排列。
具体地，本实施例中，空气孔2的半径，即三角形顶点到中心的距离为130nm；第一能谷光子晶体结构4和第二能谷光子晶体结构5的晶格常数，即相邻两个三角形空气孔2中心之间的距离为a=270nm。
具体地，本实施例中，形成拓扑光波导的上下两排对向三角形空气孔的几何中心的距离h的范围为0.2a-0.4a，a为晶格常数，优选地，距离h=0.29a。具体地，本实施例中，所述hBN基底1的厚度和hBN空气孔2的深度均为220 nm。
具体地，本实施例中，在可见光波段内，hBN基底1在x方向与y方向的折射率均为色散折射率，z方向的折射率为1.84，其中，x-y平面为hBN基底1所在平面，z为垂直于hBN基底1的方向；空气的折射率为1。所述光子晶体结构的工作波段为可见光波段。
本发明实施例提出的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体结构，其制备方法为：首先在有3 μm厚SiO2的硅基底上沉积220 nm厚的hBN基底层，然后使用光刻胶在hBN基底层上制作出结构图形，也就是说，在整片hBN基底层上涂上光刻胶，使用电子束光刻技术制作出整个器件结构的图形，包括器件轮廓，以及孔洞的图形，并以制作过图形的光刻胶为掩模，采用离子束刻蚀法进行刻蚀，进而刻蚀形成hBN空气孔和整个器件结构的轮廓。最后去除光刻胶，从而制备出能实现可见光波单向传输的能谷光子晶体结构。之后以光刻胶作为掩模，使用稀释的氢氟酸刻蚀15分钟，移除SiO2衬底。这就可以得到一个悬挂式hBN能谷光子晶体结构。
运用时域有限差分法（FDTD）计算蜂窝晶格三角形格点hBN光子晶体结构和VPC1的能带图，如图2所示，从能带图中可以看出，蜂窝晶格三角形格点hBN光子晶体结构由于六方晶格C6v波矢群对称性的存在，使得布里渊区的K谷出现锥形色散曲线，这些曲线在K谷的交点是狄拉克点（Dirac point）。通过调整原胞中三个方向间隔的空气孔边长，直至将间隔的空气孔边长变为零，分别形成第一能谷光子晶体结构4和第二能谷光子晶体结构5结构。由于将晶格结构从C6v对称降低到C3v对称，狄拉克点打开，出现范围为0.381-0.417 a/λ的完整带隙，如图2带隙部分（Bandgap）所示。
之后，将第一能谷光子晶体结构4和第二能谷光子晶体结构5拼接到一起后，在它们的边界产生拓扑保护的边缘态，其能带图如图3所示，边缘态结构从0.381-0.417 a/λ(647 nm-709 nm)显示通带，与图2的带隙有共同的波长范围，说明光波在边缘态是通带，在VPC1和VPC2中是禁带，因此，光波可以通过结构的边缘界面。
本实施例提供的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，如图4所示，hBN的折射率在x-y平面内的色散折射率曲线（图4（a））。RCP模式的正向透射光功率和反向透射光功率分别用T F 和T B 表示，透射对比度定义为C=（T F -T B ）/（T F +T B ），利用时域有限差分法（FDTD）计算透射谱及场分布图，定义光向右传输为正方向，向左传输为反方向，在两侧接收端使用监视器，得到正向透射率T F 和反方向透射率T B 。在波段644 nm-712 nm内，RCP光波的正向透射率>0.5，在波长为684 nm时，达到透射峰值0.93，透射对比度最高达0.99，实现了可见光单向传输。
如图5所示，从LCP和RCP光波在结构中传输的电场强度分布图看到，波长680nm的光在本实施例的能谷光子晶体结构中可以实现抗散射单向耦合传播，LCP（RCP）在本实施例的能谷光子晶体结构中向左（右）传输，被结构两侧的接收波导收集，而反向几乎没有光传输。
综上所述，本发明提供一种二维六方氮化硼能谷光子晶体结构，实现了LCP/RCP光波的高效单向传输。该研究所取得原理突破可广泛应用于基于hBN材料的其他光集成通信及信息处理器件。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，其特征在于，包括二维六方氮化硼基底（1），所述二维六方氮化硼基底（1）上刻蚀有多个三角形的空气孔（2）；以光入射方向为界，位于二维六方氮化硼基底（1）一侧的多个三角形空气孔（2）呈三角晶格周期性排列形成第一能谷光子晶体结构（4），位于二维六方氮化硼基底（1）另一侧的多个三角形空气孔（2）呈三角晶格周期性排列形成第二能谷光子晶体结构（5），第一能谷光子晶体结构（4）和第二能谷光子晶体结构（5）的晶格方向平行于光入射方向，且第一能谷光子晶体结构（4）和第二能谷光子晶体结构（5）中的空气孔（2）对向错位设置，在交界处形成拓扑光波导（3）；所述的对向错位设置是指，以光入射方向为参考，第一能谷光子晶体结构（4）和第二能谷光子晶体结构（5）中的空气孔的三角形顶点相对设置，第一能谷光子晶体结构（4）和第二能谷光子晶体结构（5）中，位于交界处的一排三角形空气孔以不重叠的方式，均匀交错排列。
2.根据权利要求1所述的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，其特征在于，空气孔（2）半径，即三角形顶点到中心的距离为130nm；第一能谷光子晶体结构（4）和第二能谷光子晶体结构（5）的晶格常数，即相邻两个三角形空气孔（2）中心之间的距离为a=270nm。
3.根据权利要求1所述的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，其特征在于，所述二维六方氮化硼基底（1）的厚度和二维六方氮化硼空气孔（2）的深度均为220nm。
4.根据权利要求1所述的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，其特征在于，在可见光波段内，二维六方氮化硼基底（1）在x方向与y方向的折射率均为色散折射率，z方向的折射率为1.84，其中，x-y平面为二维六方氮化硼基底（1）所在平面，z为垂直于二维六方氮化硼基底（1）的方向；空气的折射率为1。
5.根据权利要求1所述的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，其特征在于，形成拓扑光波导（3）的上下两排对向三角形空气孔的几何中心的距离h的取值范围为0.2a-0.4a，其中a为晶格常数。
6.根据权利要求1所述的一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，其特征在于，其制备方法为：
首先在有SiO2的硅基底上沉积二维六方氮化硼基底层；
然后在二维六方氮化硼基底层上涂上光刻胶，使用电子束光刻技术制作出整个器件结构的图形，包括器件轮廓，以及孔洞的图形；
以制作过图形的光刻胶为掩模，采用离子束刻蚀法进行刻蚀，进而刻蚀形成空气孔和整个器件结构的轮廓；
最后去除光刻胶，从而制备出能实现可见光波单向传输的能谷光子晶体结构。
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