CN114185116B - 一种能够实现拓扑边界态和/或零维角态的拓扑光通信器件 - Google Patents

一种能够实现拓扑边界态和/或零维角态的拓扑光通信器件 Download PDF

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Abstract

本发明设计了一种能够实现拓扑边界态和/或零维角态的拓扑光通信器件，包括由第一晶胞周期性排列形成的第一光子晶体模块(PC1)、由第二晶胞周期性排列形成的第二光子晶体模块(PC2)；所述第一晶胞是由在空气背景中的一个半径为R1的硅介质柱构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第一光子晶体模块(PC1)；所述第二晶胞是由硅介质基底上的一个半径为R2空气孔构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第二光子晶体模块(PC2)；所述第一晶胞、第二晶胞的晶格常数均为a＝519nm。本发明所述的拓扑光通信器件，能够支持一维拓扑边界态和零维角态。

Description

一种能够实现拓扑边界态和/或零维角态的拓扑光通信器件
技术领域
本发明属于集成光电子技术领域，涉及一种能够实现拓扑边界态和/或零维角态的拓扑光通信器件。
背景技术
拓扑光子晶体作为研究和控制光传输的优异平台，受到了研究人员的广泛专注。在两种拓扑光子晶体的界面处，光可以单向鲁棒传输并且免疫结构缺陷；同时，光可以局域在两个拓扑光子晶体界面的交点处。
在两个拓扑性质不同的二维光子晶体的一维界面处，光可以单向鲁棒传输；在两个一维界面的零维交点处，光会被局域在该点无法传播。现有研究所提出的正方晶格光子晶体结构的原胞主要为四聚体结构，由空气背景中4个相同的圆柱体或介质平板中4个相同的气孔组成，主要通过改变圆柱体和气孔的参数完成拓扑相变。毫无疑问，这种结构极大增加了制造难度，并且不利于集成化。
发明内容
针对现有研究和技术中结构复杂和不利于集成化的问题，本发明设计了一种结构更简单的拓扑光通信器件，制造难度和成本更低，能够实现拓扑边界态和/或零维角态，满足现代光通信集成化的需求。
本发明的技术方案为：
一种能够实现拓扑边界态和/或零维角态的拓扑光通信器件，其特征在于，包括由第一晶胞周期性排列形成的第一光子晶体模块(PC1)、由第二晶胞周期性排列形成的第二光子晶体模块(PC2)；
所述第一晶胞是由在空气背景中的一个半径为R1的硅介质柱构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第一光子晶体模块(PC1)；
所述第二晶胞是由硅介质基底上的一个半径为R2空气孔构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第二光子晶体模块(PC2)；
所述第一晶胞、第二晶胞的晶格常数均为a＝519nm。
拓扑平庸的光子晶体(PC1)原胞是由在空气背景中的一个半径为R1的硅介质柱构成；拓扑非平庸的光子晶体(PC2)原胞是由硅介质基底上的一个半径为R2空气孔构成。并且介质柱和空气孔都按照四方晶格结构排列，两个相邻介质柱或两个相邻空气孔之间的距离为晶格常数a＝519nm。
进一步地，硅介质柱的半径R1＝0.3a；空气孔的半径R2＝0.48a。
进一步地，所述第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)具有一个交界面，所述拓扑光通信器件能够实现拓扑边界态。
进一步地，所述第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)的交界面至少有两个相交的不同交界面，在不同的交界面相交的位置能够实现局域的零维拓扑角态。
进一步地，所述第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)的共同光子带隙为144.02THz-179.47THz；所述拓扑边界态的频率范围为135.94THz-155.07THz；仅供144.02THz-155.07THz范围内的光在沿着第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)的交界面处单向传输。
进一步地，零维拓扑角态的频率为169THz。
本发明所述的能够实现拓扑边界态和/或零维角态的拓扑光通信器件，由两种结构相似的具有不同拓扑性质的光子晶体结构组成。介质柱光子晶体表现出拓扑平庸的性质，并且拥有拓扑平庸的光子带隙；空气孔光子晶体表现出拓扑非平庸的性质，其光子带隙具有拓扑非平庸性质。两种光子晶体结构之间存在拓扑相变。我们可以通过调节介质柱和空气孔的半径以及晶格常数，来改变光子带隙的频率范围。在二维介质柱和空气孔光子晶体的一维界面处，光可以在一定的频率范围单向鲁棒传输，并且对结构缺陷具有免疫力；在两个一维界面的零维交点处，在几个频率点的光会被局域在该点而无法在复合结构中传播；能够支持一维拓扑边界态和零维角态。
本发明设计了一种拓扑光子晶体结构，空气背景中的介质柱和介质基底上的空气孔型光子晶体，光子晶体结构非常简单只有一个介质柱或空气孔，设计思路非常新颖。并且介质柱和空气孔型光子晶体的组合结构同时支持一维拓扑边界态和零维角态。使光可以在非常宽的频率内沿着组合结构中的一维界面单向传输，并且具有鲁棒性和极高的稳定性；光在特定的频率处会完全局域在组合结构中的零维交点处，具有极强的光局域性。该结构设计简单易于制备，并且体积很小，具有设计结构简单、制造成本低和利于集成化的优点。并且支持一维拓扑边界态的光波导和零维拓扑角态的光局域；在现代集成光子器件中具有极大的应用前景。
附图说明
图1(a)为本发明提出的介质柱型光子晶体3×3的原胞示意图，R1为硅介质柱的半径，为晶格常数。(b)是四方晶格的第一布里渊区；(c)空气孔型光子晶体3×3的原胞示意图，白色部分是空气孔且半径用R2表示，其余部分是硅材料制成的介质基底。
图2(a)为当R1＝0.3a时的介质柱型光子晶体原胞的能带图，其具有拓扑平庸的光子带隙；(b)为当R2＝0.48a时空气孔型光子晶体原胞的能带图，其光子带隙具有拓扑非平庸的性质；(c)和(d)分别表示当改变介质柱半径R1和空气孔半径R2时，光子带隙频率范围的变化情况。
图3(a)由两种光子晶体组合形成的超晶胞结构；(b)为超晶胞的色散曲线，其中150THz附近的一条曲线为拓扑边界态的能带；(c)kx＝0.2×2π/a时边界态在超晶胞中的电场分布，右侧曲线为归一化电场强度沿y方向上的分布情况；图3(d)为图3(a)中超晶胞在x方向沿伸的组合结构中，电场的分布情况。
图4(a)由两种光子晶体构成的组合结构，中间为16×16的空气孔光子晶体且 R2＝0.48a，外面为四层介质柱光子晶体且R1＝0.3a；(b)通过对组合结构进行能带扫描得到的解分布图，其中有四个零维角态被分别标记为C1、C2、C3、C4。
图5不同模式的电场分布图：(a)体态，且频率为137.99THz；(b)-(d)边界态，且频率依次为：138.89163THz,138.89169THz,138.91573THz,；(e)-(h)四个零维角态，且频率均为169THz。
具体实施方式
为了使本发明的特征、技术方案和优势更清晰，以下将结合具体实施例，并结合附图，对本发明进一步阐述。
如图1为本发明能够实现拓扑边界态和/或零维角态的拓扑光通信器件，包括由第一晶胞周期性排列形成的第一光子晶体模块(PC1)、由第二晶胞周期性排列形成的第二光子晶体模块(PC2)；所述第一晶胞是由在空气背景中的一个半径为R1的硅介质柱构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第一光子晶体模块(PC1)；所述第二晶胞是由硅介质基底上的一个半径为R2空气孔构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第二光子晶体模块(PC2)；所述第一晶胞、第二晶胞的晶格常数均为a＝519nm。
空气背景中的硅介质柱结构，具有拓扑平庸的性质；硅介质基底上的空气孔结构，具有拓扑非平庸性质；介质柱和空气孔均按照四方晶格的结构排列，并且具有相同的晶格常数。两种光子晶体之间存在拓扑相变，并且在由两种光子晶体构成的复合结构中，光可以沿着两种光子晶体的界面单向鲁棒传输。
具体地，在本发明中晶格常数a＝519nm，表示相邻两个介质柱或相邻两个空气孔之间的距离；硅材料的介电常数εr＝12，空气的介电常数ε0＝1；所研究的电磁波为TM 模式；介质柱型光子晶体中硅介质柱的半径R1＝0.3a，拓扑平庸光子带隙的频率范围为：137.99THz-180.14THz；空气孔型光子晶体中空气孔的半径R2＝0.48a，拓扑平庸光子带隙的频率范围为：144.02THz-179.47THz；两个光子晶体具有的共同光子带隙为： 144.02THz-179.47THz，在这个频率范围的光均无法在两个结构中传播。我们还可以通过调节介质柱和空气孔的半径，灵活地改变光子带隙的频率范围，两种光子晶体光子带隙的频率范围随半径的变化如图2(c)和(d)所示。
为了验证两种光子晶体的界面处存在拓扑边界态，我们设计了如图3(a)所示的光子晶体组合超晶胞结构。并通过周期性扫描波向量kx，求解特征值，计算出波的频率，得到如图3(b)所示的色散曲线；在光子带隙内存在一条拓扑边界态，频率范围为： 135.94THz-155.07THz；因此，144.02THz-155.07THz范围内的光只能在沿着两种光子晶体的界面处单向鲁棒传输，而无法传播到其他地方。图3(d)就是实空间中电场的分布图，我们发现电场沿着只界面单向传输。
为了验证两个不同光子晶体界面的零维交点处支持局域的零维拓扑角态，我们设计了如图4(a)的组合结构。组合结构的中间为16×16的空气孔光子晶体且R2＝0.48a，外面为三层介质柱光子晶体且R1＝0.3a，组合结构中有四个零维的交点。通过对组合结构进行能带扫描得到的解分布如图4(b)所示，在169THz附近有四个零维拓扑角态被分别标记为C1、C2、C3、C4，远离体态和拓扑边界态。
图5(a)、(b)-(d)、(e)-(h)分别验证了体态、三个一维边界态和四个零维拓扑角态的实空间电场分布图，四个角态分别主要局域在结构的四个交点处，无法在结构中传播，对比于边界态的电场分布有效的实现了极强的光局域特性。

Claims (2)

1.一种能够实现拓扑边界态的拓扑光通信器件，其特征在于，包括由第一晶胞周期性排列形成的第一光子晶体模块(PC1)、由第二晶胞周期性排列形成的第二光子晶体模块(PC2)；
所述第一晶胞是由在空气背景中的一个半径为R1的硅介质柱构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第一光子晶体模块(PC1)；
所述第二晶胞是由硅介质基底上的一个半径为R2空气孔构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第二光子晶体模块(PC2)；
所述第一晶胞、第二晶胞的晶格常数均为a＝519nm；
拓扑平庸的光子晶体(PC1)原胞是由在空气背景中的一个半径为R1的硅介质柱构成；拓扑非平庸的光子晶体(PC2)原胞是由硅介质基底上的一个半径为R2空气孔构成， 并且介质柱和空气孔都按照四方晶格结构排列，两个相邻介质柱或两个相邻空气孔之间的距离为晶格常数a＝519nm；硅介质柱的半径R1＝0.3a；空气孔的半径R2＝0.48a；所述第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)具有一个交界面，所述拓扑光通信器件能够实现拓扑边界态；所述第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)的共同光子带隙为144.02THz-179.47THz；所述拓扑边界态的频率范围为135.94THz-155.07THz；仅供144.02THz-155.07THz范围内的光在沿着第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)的交界面处单向传输。
2.一种能够实现零维角态的拓扑光通信器件，其特征在于，包括由第一晶胞周期性排列形成的第一光子晶体模块(PC1)、由第二晶胞周期性排列形成的第二光子晶体模块(PC2)；
所述第一晶胞是由在空气背景中的一个半径为R1的硅介质柱构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第一光子晶体模块(PC1)；
所述第二晶胞是由硅介质基底上的一个半径为R2空气孔构成的原胞，按照四方晶格结构排列而成第二光子晶体模块(PC2)；
所述第一晶胞、第二晶胞的晶格常数均为a＝519nm；
拓扑平庸的光子晶体(PC1)原胞是由在空气背景中的一个半径为R1的硅介质柱构成；拓扑非平庸的光子晶体(PC2)原胞是由硅介质基底上的一个半径为R2空气孔构成， 并且介质柱和空气孔都按照四方晶格结构排列，两个相邻介质柱或两个相邻空气孔之间的距离为晶格常数a＝519nm；硅介质柱的半径R1＝0.3a；空气孔的半径R2＝0.48a；所述第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)具有一个交界面，所述拓扑光通信器件能够实现拓扑边界态；所述第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)的交界面至少有两个相交的不同交界面，在不同的交界面相交的位置能够实现局域的零维拓扑角态；第二光子晶体模块(PC2)为16×16的第二晶胞构成，所述第一光子晶体模块(PC1)为在第二光子晶体模块(PC2)外围的三排第一晶胞构成；所述第一光子晶体模块(PC1)与第二光子晶体模块(PC2)具有四个两两相交的交界面，具有四个零维拓扑角态的传输通道，四个零维拓扑角态的传输通道适用的频率为169THz。
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