CN114545553B - 一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器，包括：硅基底；硅基底上分布有多个圆柱形空气孔，圆柱形空气孔包括第一圆柱形空气孔和第二圆柱形空气孔；第一圆柱形空气孔的直径大于第二圆柱形空气孔，以打破空间反演对称性；第一圆柱形空气孔和第二圆柱形空气孔构成原胞，按蜂窝状晶格周期排列，并形成第一谷光子晶体，交换第一谷光子晶体中不同圆柱形空气孔的位置，形成第二谷光子晶体；第一谷光子晶体和第二谷光子晶体两个区域之间形成第一拓扑波导与第二拓扑波导，第一拓扑波导为直线型，第二拓扑波导为三角形型；第一、第二拓扑波导形成耦合拓扑波导。本发明在不同波长下实现了延迟线和吸收器两种功能的切换，具有很好的应用前景。

Description

一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器
技术领域
本发明属于光通信领域，尤其涉及一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器。
背景技术
拓扑光子晶体由于其广阔的应用前景而引起了国内外研究者广泛的研究。拓扑学起源于凝聚态物理，后被引入至光学带来了各种新颖的物理特性，到目前为止，研究者们已实现了基于量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应以及量子谷霍尔效应的拓扑光子晶体。拓扑相通常用拓扑不变量来区分，在光学系统中，拓扑不变量可以用陈数进行表征，当具有不同陈数两种拓扑光子晶体形成交界面时，由于拓扑体边对应关系，会产生具有鲁棒性质的拓扑边界态，对结构缺陷具有免疫性质，使得拓扑光子学在集成光学、光通信等领域取得了丰硕的成果，并有望应用于量子计算。
目前对于拓扑边界态的研究中，多数聚焦于鲁棒传输特性的应用与推广。这使得在光学器件结构中，拓扑边界态的应用手段单一。近些年，也有研究关注于拓扑性质与非线性、非厄米性的结合，以丰富拓扑光子晶体的调控特性，但也不可避免地使系统的复杂性大大增加，制备难度大大提高。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器。
根据本发明实施例，提供的一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器结构，包括：硅基底、二氧化硅衬底和若干圆柱形空气孔。
所述硅基底上分布有多个圆柱形空气孔，所述圆柱形空气孔包括第一圆柱形空气孔和第二圆柱形空气孔；所述第一圆柱形空气孔的直径大于第二圆柱形空气孔，以打破空间反演对称性；所述第一圆柱形空气孔和第二圆柱形空气孔构成原胞，按蜂窝状晶格周期排列，并形成第一谷光子晶体(VPC1)，交换所述第一谷光子晶体中不同圆柱形空气孔的位置，形成第二谷光子晶体(VPC2)；所述第一谷光子晶体和第二谷光子晶体两个区域之间形成第一拓扑波导(WG1)与第二拓扑波导(WG2)，其中所述第一拓扑波导为直线型，所述第二拓扑波导为三角形型；所述第一拓扑波导和第二拓扑波导形成耦合拓扑波导(CoupledWG)。
进一步地，所述硅基底的折射率为3.47，空气孔的折射率为1。
进一步地，所述蜂窝晶格的晶格常数为p＝401nm，第一圆形空气孔的直径为d1＝174nm，第二圆形空气孔的半径为d2＝81nm。
进一步地，所述硅基底的厚度为h＝220nm。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提供了一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器，与传统引入非线性、非厄米性以丰富拓扑光子晶体光学调控方案相比，可以解决导致系统实现难度增大，拓扑性质复杂的问题。本发明在不同波长下实现了延迟线和吸收器两种功能的切换，具有很好的应用前景。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的第一拓扑波导、第二拓扑波导以及耦合拓扑波导的边缘态能带结构图。
图3是根据一示例性实施例示出的结构透射率曲线图。
图4是图3中所示两标注点的结构功率分布图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器结构，如图1所示，结构包括：硅基底、二氧化硅衬底和若干圆柱形空气孔。圆柱形空气孔设置于硅基底中，所述圆柱形空气孔包括第一圆柱形空气孔和第二圆柱形空气孔。所述第一圆柱形空气孔的直径大于第二圆柱形空气孔，以打破空间反演对称性。所述第一圆柱形空气孔和第二圆柱形空气孔构成原胞，按蜂窝状晶格周期排列，并形成第一谷光子晶体(VPC1)。交换所述第一谷光子晶体中不同圆柱形空气孔的位置，形成第二谷光子晶体(VPC2)。所述第一谷光子晶体和第二谷光子晶体两个区域之间形成第一拓扑波导(WG1)与第二拓扑波导(WG2)，其中所述第一拓扑波导为直线型，所述第二拓扑波导为三角形型。所述第一拓扑波导和第二拓扑波导形成耦合拓扑波导(Coupled WG)。
具体地，在本实施例中，所述硅基底的折射率为3.47，空气孔的折射率为1。所述蜂窝晶格的晶格常数为p＝401nm，第一圆形空气孔的直径为d1＝174nm，第二圆形空气孔的半径为d2＝81nm。
具体地，在本实例中，所述硅基底的厚度为h＝220nm。
本实施例中的光子晶体结构是在标准绝缘体硅晶圆(SOI)上制造的，在2μm厚的埋置氧化层上有220nm厚的硅层。拓扑结构由电子束光刻制成，然后通过反应离子刻蚀将图案从光刻胶转移到硅上。最后，将晶片浸入丙酮中30分钟，去除光刻胶。这样就可以得到一个谷光子晶体光学拓扑双工器。
如图2所示，为本发明实施例中第一拓扑波导、第二拓扑波导及耦合拓扑波导的边缘态能带图，图中竖线阴影区域为体带，斜线阴影区域为空气光锥。从图中可以看出，第一拓扑波导和第二拓扑波导的相速度均为正，群速度则为负/正的关系，呈现反向波/正向波波导特点。对于耦合拓扑波导的色散曲线，在1492-1520nm波长区间呈现带隙特性,而对于1520-1593nm波长呈现通带特性。
如图3所示，为光学拓扑双工器从左边端口到右边端口的传输率曲线图，图中可以看出，在1492-1520nm带隙范围呈现高传输特性。而1520-1593nm通带范围，出现传输率低谷特性。
如图4所示，为波长分别为1509nm和1546nm的TM模式光波传输的功率分布图，对应于图3中两个标注符号对应的传输情况。1509nm处于带隙区域，从WG1左端输入的光在经历耦合区域时，被反射到WG2中，并沿着WG1未耦合区域传输，再次进入耦合区域，被反射到WG1中，最后从WG1右端输出，呈现出延迟线作用。而1546nm则处于通带区域，光从WG1左端输入，不会从WG1右端输出，光在内部被消耗，呈现出片上吸收器特性。因此可以说明本结构实现了双工器的功能。
本发明设计的光学拓扑双工器结构，在1520nm附近波段内，在不同波长下实现了延迟线和吸收器功能，展现出双工器特性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，可轻易想到变化或替，得出本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器，其特征在于，包括：
硅基底；
所述硅基底上分布有多个圆柱形空气孔，所述圆柱形空气孔包括第一圆柱形空气孔和第二圆柱形空气孔；所述第一圆柱形空气孔的直径大于第二圆柱形空气孔，以打破空间反演对称性；所述第一圆柱形空气孔和第二圆柱形空气孔构成原胞，按蜂窝状晶格周期排列，并形成第一谷光子晶体（VPC1），交换所述第一谷光子晶体中不同圆柱形空气孔的位置，形成第二谷光子晶体（VPC2）；所述第一谷光子晶体和第二谷光子晶体两个区域之间形成第一拓扑波导（WG1）与第二拓扑波导（WG2），其中所述第一拓扑波导为直线型，所述第二拓扑波导为三角形型；所述第一拓扑波导和第二拓扑波导形成耦合拓扑波导（Coupled WG）；所述第二拓扑波导的左右两条边界与第一拓扑波导并无耦合关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器，其特征在于，所述硅基底的折射率为3.47，空气孔的折射率为1。
3.根据权利要求1所述的一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器，其特征在于，所述蜂窝晶格的晶格常数为p=401 nm，第一圆形空气孔的直径为d 1=174 nm，第二圆形空气孔的半径为d 2=81 nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器，其特征在于，所述硅基底的厚度为h=220 nm。
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