CN114966982B - 一种能够实现波导-腔耦合的拓扑光通信谐振器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能够实现波导‑腔耦合的拓扑光通信谐振器件，由第一光子晶体模块PC1、第二光子晶体模块PC2、第三光子晶体模块PC3共同构成。PC1与PC2组合构建光波导，PC1与PC3组合构建拓扑角态腔。所述光波导在193.69THz‑237.99THz频率范围内可达到95％以上的传输效率。在所述拓扑角态腔的角落处去除一个介质柱构建空气缺陷，可使谐振带宽变窄，增强边界态与角态之间的耦合强度。所述光通信谐振器件在工作频率203.97THz实现光波导与拓扑角态腔之间的谐振，谐振带宽为0.03THz，品质因数达到6799。本发明所述的可实现波导‑腔耦合的拓扑光通信谐振器件具有较强的谐振能量与较高的品质因数。
Description
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波导-腔耦合的拓扑光通信谐振器件。
背景技术
基于拓扑光子晶体的拓扑边界态与拓扑角态是近几年的研究热点之一，拓扑光子晶体作为一种人工周期结构的电磁材料，除了具有独特的光子带隙、光子局域化和负折射率的特性外，还具有拓扑保护的性质，拓扑光子晶体结构对杂质、无序等各种缺陷具有很强的鲁棒性。近年来，拓扑角态体现出的对光信号优越的局域性使其受到广泛的关注与进一步的研究。光信号可以被两种不同结构的拓扑光子晶体局域在交界面处，从而实现光信号的边界态鲁棒传输，当两条边界态相交于一个交点时，在交点处被边界极化激励的拓扑角态可以局域光信号从而完成光信号的汇聚与储存。利用拓扑角态设计的微型谐振腔可有效利用拓扑光子晶体的强鲁棒性，低散射特性降低能量损耗，且结构微小，易于集成，具有极大的应用前景。
具有正方晶格的光子晶体晶胞可通过改变介质柱的位置与尺寸实现三种不同的拓扑性质，由两种具有不同拓扑性质的晶胞构建出光波导结构以达到激励谐振的作用，由其中一种晶胞和另外一种具有不同拓扑性质的晶胞构建拓扑角态腔以实现与光波导的耦合。目前，现有的由拓扑光子晶体结构实现的微型谐振腔品质因数不高，且无法保证较高的能量强度，在此基础上，可以去除拓扑角态腔角落位置的介质柱构造空气缺陷提高边界态与角态谐振的品质因数，增强谐振系统的耦合能量。因此利用拓扑边界态、拓扑角态与空气缺陷，我们可以设计出耦合能量强、能量散射小、品质因数高的光通信谐振器件。
发明内容
在现有的谐振器件品质因数不高、能量强度低、能量损耗大的情况下，该发明设计出一种结构简单的能够实现波导-腔耦合的拓扑光通信谐振器件，该器件借助拓扑保护特性抑制能量散射减小损耗，借助空气缺陷构建了品质因数高、能量强的谐振系统，可以满足光通信谐振器件更多的条件与要求。
本发明所述的谐振器件模型，主要利用一维拓扑边界态与零维拓扑角态分别构造光波导与谐振腔，借助法诺谐振实现波导与谐振腔的耦合，通过去除角态位置处的一个圆形介质柱构造一个空气缺陷，使得系统的谐振能量增强，品质因数提高。
一种可以实现波导-腔耦合的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，包括：
第一光子晶体模块PC1，由第一晶胞按照四方晶格结构周期性排列构成，具有拓扑平庸的性质；
第二光子晶体模块PC2,由第二晶胞按照四方晶格结构排列周期性排列构成，具有拓扑非平庸的性质；
第三光子晶体模块PC3，由第三晶胞按照四方晶格结构周期性排列构成，具有拓扑非平庸的性质；
所述第一晶胞是由在空气背景中的一个半径为r的圆形硅介质柱构成的原胞；所述第二晶胞由在空气背景中的二个半径为r1的半圆形硅介质柱构成的原胞，两个半圆形硅介质柱的圆弧面朝向原胞中心；所述第三晶胞由在空气背景中的四个半径为r、圆心角为90°的扇形硅介质柱构成的原胞，四个扇形介质柱位于第三晶胞的四个角落处、且圆弧面朝向原胞中心；
所述第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2之间具有一个交界面能够实现拓扑边界态，其工作频率为f1；第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3之间具有两个垂直的交界面，所述第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3两条垂直交界面的交点处缺少一个圆形硅介质柱，由此形成一个空气缺陷，构建拓扑角态腔，其工作频率为f2；且f1与f2一致或有重叠，所述拓扑角态腔的数量为至少一个。
进一步地，所述拓扑角态腔距离能够实现拓扑边界态的交界面的距离为第一光子晶体模块PC1的1-12个晶胞。
进一步地，所述第一晶胞、第二晶胞、第三晶胞的晶格常数均为a＝0.5μm。
进一步地，圆形硅介质柱与扇形硅介质柱的半径为r＝0.11μm，半圆形硅介质柱的半径为r1＝0.075μm。
进一步地，所述第一光子晶体模块PC1和所述第二光子晶体模块PC2的共同光子带隙为200.3THz-236.6THz；所述第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2之间具有一个交界面的拓扑边界态的频率范围为193.69THz-237.99THz。
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之间具有一个交界面可供频率范围为193.69THz-237.99THz的光沿着第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的交界面处传输，传输效率达到95％以上。
进一步地，所述拓扑角态腔处的零维拓扑角态的本征频率被包含在由第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2所组成的边界态的频率范围之内，所述零维拓扑角态适用的频率为203.97THz。
进一步地，所述拓扑角态腔的数量为4个，由第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2所组成的边界态波导中的能量通过法诺共振耦合到由第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3提供的有空气缺陷的四个拓扑角态腔处，谐振品质因数达到1854。
进一步地，所述拓扑角态腔的数量为1个，由第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2所组成的边界态波导中的能量通过法诺共振耦合到由第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3提供的有空气缺陷的单个零维角落处，谐振品质因数可达6799。
进一步地，所述圆形硅介质柱、半圆形硅介质柱、扇形介质柱的材质均为硅。
本发明所述的能够实现微型谐振腔的拓扑光通信器件，由三种具有不同拓扑性质的光子晶体结构和一个空气缺陷组成。圆形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；半圆形与90度扇形介质柱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。圆形介质柱光子晶体结构与半圆形、90度扇形介质柱光子晶体之间存在拓扑相变。在二维圆形介质柱和半圆形介质柱光子晶体的一维界面处能够支持一维拓扑边界态光波导，光可以在一定的频率范围鲁棒传输，并且对结构缺陷如杂质、无序具有鲁棒性；在二维圆形介质柱和90°扇形介质柱光子晶体之间的两个一维界面的零维交点处能够支持零维角态光局域，在一个特定频率的光会被局域在交点处而无法在组合结构中传播。空气缺陷通过挖去第一光子晶体模块PC1和第三光子晶体模块PC3两个垂直交界面交点处的一个圆形介质柱构成，结构中被边界态激发且由法诺共振耦合到拓扑角态的能量可以在空气缺陷处提高能量强度和品质因数。
本发明设计的基于拓扑光子晶体结构的微型谐振腔，空气背景中的圆形、半圆形和90度扇形介质柱光子晶体结构比较简单，并且圆形介质柱和半圆介质柱型光子晶体的组合结构可支持一维拓扑边界态，圆形介质柱和90°扇形介质柱光子晶体的组合结构可支持零维角态，通过边界态提供的连续态和角态提供的离散态之间的法诺共振，能量可从一维边界态波导耦合到零维角态局域能量的交点处，交点处的空气点缺陷可产生比普通边界态与角态耦合能量更窄的谐振带宽，提高了谐振的品质因数和耦合能量的强度。该结构设计简单易于制备，体积小，制备过程无废料，具有制造成本低、利于集成化和性能优良的优点，在现代集成光通信器件中具有极大的应用前景。
附图说明
图1中(a)是由中心是一个圆形介质柱构成的四方晶格光子晶体结构(简称PC1)的原胞UC1的示意图，a是晶格常数，r是圆形硅介质柱的半径，εr是介质柱的介电常数，εr0是空气背景的介电常数；
(b)是由含有两个半圆介质柱的四方晶格组成的光子晶体结构(简称PC2)的原胞UC2的示意图，r1是半圆形硅介质柱的半径；
(c)是由含有四个90°扇形介质柱的四方晶格组成的光子晶体结构(简称PC2)的原胞UC3的示意图，r是扇形硅介质柱的半径；
(d)是第一布里渊区的示意图。
图2中(a)是三种原胞UC1,UC2,UC3的能带图，UC1与UC3具有相同的能带结构；
(b)是三种原胞UC1,UC2,UC3沿着X方向与Y方向的电场分布，电场分布可以观察出它们对应地扎克相位为(0,0),(0,π),(π,π)，分别对应着拓扑平庸相、拓扑非平庸相、拓扑非平庸相。
图3中(a)是第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2组成的光子晶体组合结构的超胞(SC1)示意图，电场分布图显示了SC1的边界极化，可看出PC1和PC2组成的光子晶体组合结构存在边界态而不存在角态；
(b)是超胞SC1的色散曲线图，带隙范围为160.1THz-239.38THz，带隙中的一条弯曲曲线代表了边界态，其频率范围为193.7THz-238THz。
图4显示了第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的构建的平面交界面和边界态电场分布示意图，可以观察到信号由结构左侧输入并被局域在第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的交界面处。
图5显示了图4所示边界态光波导的传输效率图，说明有较高且稳定的传输效率。
图6中(a)为第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3具有直角交界面的组合结构示意图，以及空气缺陷的位置。
(b)显示了图6(a)所示组合结构的本征模分布情况。
图7中(a)为第一光子晶体模块PC1、第二光子晶体模块PC2和第三光子晶体模块PC3所构建的一种拓扑光通信谐振器件的结构示意图，具有四个拓扑角态腔和一个边界态光波导传输通道。PC2与PC3距离为5a，PC3区域是由6×6的UC3组成的；
(b)是图7(a)所示结构的电场分布图；
(c)显示了随频率变化,图7(a)所示结构中的谐振能量的强度，在频率为203.97THz时，边界态与角态存在谐振，此时能量局域在四个空气点缺陷处，且谐振品质因数Q值为1854。
图8中(a)是光信号在第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的交界面交点处局域的电场分布图，插图显示了空气缺陷的位置与结构，可以观察到空气缺陷是由缺少一个圆形介质柱所构成的。
(b)显示图8(a)所示带有空气缺陷的组合结构的本征模分布图，图中表明零维角态存在于一维边界态与上体态之间，可用来更精准的确定角态频率。
图9(a)显示了第一光子晶体模块PC1、第二光子晶体模块PC2和第三光子晶体模块PC3所构建的另一种拓扑光通信谐振器件中的电场的分布情况。PC2与PC3距离为5a，信号源位于结构左侧，从边界态耦合出的谐振能量被局域在空气点缺陷处。
(b)显示了随频率变化的谐振能量的强度，在频率为203.9THz时，边界态与角态存在谐振，此时能量局域在空气点缺陷处，且谐振品质因数Q值为6799。
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。
本发明所述的能够实现波导-腔耦合的拓扑光通信谐振器件，是在拓扑平庸光子晶体结构与一种拓扑非平庸光子晶体结构之间构建光波导，拓扑平庸光子晶体结构与第二种拓扑非平庸光子晶体结构之间构建拓扑角态腔，去除所述角态腔的角落处的一个圆形介质柱，可以构建空气缺陷，该波导-腔结构为谐振结构。
图1展示了本发明能够实现波导-腔耦合的拓扑光通信谐振器件的三种晶体结构。如图1中(a)所示，第一光子晶体模块PC1是由第一晶胞UC1按照四方晶格结构排列而成，所述第一晶胞UC1是由在空气背景中的一个截面半径为r的圆形硅介质柱构成的。所述第二光子晶体模块PC2如图1中(b)所示，是由第二晶胞UC2按照四方晶格结构排列而成，所述第二晶胞UC2由在空气背景中的二个截面半径为r1的半圆形硅介质柱构成的，两个半圆形硅介质柱的圆弧面朝向第二晶胞UC2中心。如图1中(c)所示，所述第三光子晶体模块PC3是由第三晶胞UC3按照四方晶格结构排列而成，所述第三晶胞UC3由在空气背景中的四个截面半径为r的90°扇形硅介质柱构成的，四个90度扇形硅介质柱位于第三晶胞的四个角落，且圆弧面朝向第三晶胞UC3中心。
第一光子晶体模块PC1是由第一晶胞UC1采用的截面为圆形的硅介质柱构成的，具有拓扑平庸的性质，第二光子晶体模块PC2是由第二晶胞UC2采用的截面为半圆形的硅介质柱构成的，具有拓扑非平庸的性质，第三光子晶体模块PC3是由第三晶胞UC3采用的截面为90度扇形的硅介质柱构成的，具有拓扑非平庸的性质，图1中(d)是第一布里渊区的示意图。
如图2中(a)所示是光子晶体原胞UC1、UC2和UC3的能带图，UC1拥有平庸的带隙161.94THz-236.57THz，UC2拥有非平庸的带隙200.26THz-283.24THz，UC3拥有非平庸的带隙161.94THz-236.57THz。
图2中(b)显示了第一晶胞UC1分别在X和Y方向上的电场分布图具有镜面对称性，第一晶胞UC1对应拓扑平庸相位(0,0)；第二晶胞UC2的电场分布图在X方向上具有镜面反对称性而在Y方向上具有镜面对称性，第二晶胞UC2对应拓扑平庸相位(0,π)；第三晶胞UC3的电场分布沿着X方向与Y方向都具有镜面反对称性，第三晶胞UC3对应拓扑平庸相位(π,π)。
所述第一晶胞UC1、第二晶胞UC2、第三晶胞UC3的介质柱均按照四方晶格的结构排列，并且具有相同的晶格常数，晶格常数为a＝0.5μm，其中第一晶胞UC1与第三晶胞UC3的介质柱半径为r＝0.11μm，第二晶胞UC2的介质柱半径为r1＝0.075μm。第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2组成的光子晶体之间存在拓扑相变，并且在由第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2两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鲁棒传输。第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3之间存在拓扑相变，并且在由第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3两种光子晶体构成的复合结构中，光可以被局域在第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3两种光子晶体之间的两条垂直交界面的零维交点处。
本发明所述的能够实现微型谐振腔的拓扑光通信器件，由第一光子晶体模块PC1、第二光子晶体模块PC2和第三光子晶体模块PC3构成，所述第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2和第三光子晶体模块PC3之间具有相邻界面。
具体说明，本发明中所研究的电磁波为TM模，晶格常数a的值为0.5μm，代表了圆形介质柱之间的距离；圆形介质柱与90度扇形硅介质柱的半径r＝0.11μm，半圆形介质柱半径为r1＝0.075μm，硅材料的介电常数εr＝11.7，空气背景的介电常数εr0＝1。第一晶胞UC1与第二晶胞UC2光子带隙的频率大致相同：161.9THz-236.5THz，与第二晶胞UC2的带隙200.26THz-283.24THz有重合的频率范围200.26THz-236.5THz，在这一频率范围内，光子被局域，光子运动散射被抑制，光信号无法在结构中传播。
为了验证圆形介质柱组成的第一光子晶体模块PC1和两个半圆形介质柱组成的第二光子晶体模块PC2之间的一维边界态，我们设计了如图3(a)所示的第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2组合的一个超胞进行研究，对周期性波向量kx进行扫描，求解特征值，计算波的频率，得出图3(b)中的色散曲线，光子带隙内存在一条边界态，其频率范围为：193.69THz-237.99THz。那么光信号只能在这一频率范围内沿着PC1与PC2结构的交界面传输。
为了研究这种传输的传输效率，我们设计了图4组合结构。图4所示的电场分布图显示光信号被局域在第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的交界面处。图5显示了传输效率探测结果,我们可以看出在193.69THz-237.99THz范围内，这种边界态传输有95％以上的传输效率。
构建由第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3组成的盒型组合结构，且在四个角落构造空气缺陷，如图6(a)所示。图6(b)显示了图6(a)中结构的本征模分布情况，可以看到出现了四个角态。
为了实现一维边界态与零维角态之间的法诺共振，设计如图7(a)所示的结构。结构由第一光子晶体模块PC1、第二光子晶体模块PC2、第三光子晶体模块PC3组成，组合结构中有第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的一维交界面，也有第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3交界面的四个零维交点。其中，第三光子晶体模块PC3的尺寸为3μm×3μm，第二光子晶体模块PC2与第三光子晶体模块PC3之间的距离为2.5μm。图7(b)显示了图7(a)所示结构的电场分布，可以看到能量被局域在空气缺陷处。通过对组合结构空气点缺陷中的能量进行测量与计算，图7(c)中可以看到频率在203.97THz时组合结构中的边界态与角态发生谐振，谐振带宽为0.11THz,可以得到谐振的品质因数为1854。
进一步构建了由第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3组成的具有两个垂直交界面的晶体结构，且在交界面交点处除去一个圆形硅介质柱构成一个空气缺陷，插图显示了空气缺陷的具体结构。图8(a)显示了这种组合结构的电场分布，可以看到能量被局域在空气缺陷处。图8(b)中可以看到在边界态与上体态之间的光子带隙内存在一个角态，角态频率为203.97THz。
为了实现一维边界态与零维角态之间的法诺共振，设计如图9(a)所示的组合结构。结构由第一光子晶体模块PC1、第二光子晶体模块PC2、第三光子晶体模块PC3组成，组合结构中有第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的一维交界面，也有第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3两条垂直交界面的零维交点。其中，第二光子晶体模块PC2与第三光子晶体模块PC3之间的距离为2.5μm。图9(a)显示，光源在结构左侧输入，通过法诺共振从第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的交界面耦合到空气缺陷处。
通过对组合结构空气点缺陷中的能量进行测量与计算，图9(b)中可以看到频率在203.97THz时组合结构中的边界态与角态发生谐振，谐振带宽为0.03THz,可以得到谐振的品质因数为6799，并且谐振能量的强度较高。明显地，光信号被耦合并限制在空气缺陷处，有效实现了光信号的强局域、谐振信号的窄带宽和谐振能量的高强度。
所述的所有实施例为本发明的优选的实施方式，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 (8)
1.一种能够实现波导-腔耦合的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，包括：
第一光子晶体模块PC1，由第一晶胞按照四方晶格结构周期性排列构成，具有拓扑平庸的性质；
第二光子晶体模块PC2,由第二晶胞按照四方晶格结构排列周期性排列构成，具有拓扑非平庸的性质；
第三光子晶体模块PC3，由第三晶胞按照四方晶格结构周期性排列构成，具有拓扑非平庸的性质；
所述第一晶胞是由在空气背景中的一个半径为r的圆形硅介质柱构成的原胞；所述第二晶胞由在空气背景中的二个半径为r1的半圆形硅介质柱构成的原胞，两个半圆形硅介质柱的圆弧面朝向原胞中心；所述第三晶胞由在空气背景中的四个半径为r、圆心角为90°的扇形硅介质柱构成的原胞，四个扇形介质柱位于第三晶胞的四个角落处、且圆弧面朝向原胞中心；
所述第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2之间具有一个交界面能够实现拓扑边界态，其工作频率为f1；第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3之间具有两个垂直的交界面，所述第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3两条垂直交界面的交点处缺少一个圆形硅介质柱，由此形成一个空气缺陷，构建拓扑角态腔，其工作频率为f2；且f1与f2一致或有重叠，所述拓扑角态腔的数量为至少一个；
所述拓扑角态腔距离能够实现拓扑边界态的交界面的距离为第一光子晶体模块PC1的1-12个晶胞。
2.根据权利要求1所述的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，所述第一晶胞、第二晶胞、第三晶胞的晶格常数均为a＝0.5μm。
3.根据权利要求2所述的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，圆形硅介质柱与扇形硅介质柱的半径为r＝0.11μm，半圆形硅介质柱的半径为r1＝0.075μm。
4.根据权利要求3所述的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，所述第一光子晶体模块PC1和所述第二光子晶体模块PC2的共同光子带隙为200.3THz-236.6THz；所述第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2之间具有一个交界面的拓扑边界态的频率范围为193.69THz-237.99THz。
5.根据权利要求4所述的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，所述第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2之间具有一个交界面可供频率范围为193.69THz-237.99THz的光沿着第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2的交界面处传输，传输效率达到95％以上。
6.根据权利要求3所述的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，所述拓扑角态腔处的零维拓扑角态的本征频率被包含在由第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2所组成的边界态的频率范围之内，所述零维拓扑角态适用的频率为203.97THz。
7.根据权利要求3所述的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，所述拓扑角态腔的数量为4个，由第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2所组成的边界态波导中的能量通过法诺共振耦合到由第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3提供的有空气缺陷的四个拓扑角态腔处，谐振品质因数达到1854。
8.根据权利要求3所述的拓扑光通信谐振器件，其特征在于，所述拓扑角态腔的数量为1个，由第一光子晶体模块PC1与第二光子晶体模块PC2所组成的边界态波导中的能量通过法诺共振耦合到由第一光子晶体模块PC1与第三光子晶体模块PC3提供的有空气缺陷的单个零维角落处，谐振品质因数可达6799。
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