CN117075258A - 一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于拓扑光子学及光通信系统领域，公开了一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，包括二维六方氮化硼基底，其上刻蚀有多个空气孔；以与光入射方向平行的交界线为界，位于交界线两侧的空气孔分别呈三角晶格周期性排列形成第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构，且两个能谷光子晶体结构中的空气孔相对于交界线呈镜像设置，位于交界线两侧的两排空气孔形成拓扑光波导。本发明可以实现可见光波段圆偏振光的单向慢光传输，而且在拓扑光波导的空气孔中加入液晶材料，通过调节外加电场强度还可实现慢光波长的调谐功能，为设计可见光波单向传输设备开辟了新的可能性，可以广泛应用于光通信和量子光学。
Description
技术领域
本发明属于拓扑光子学及光通信系统领域，具体涉及一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构。
背景技术
具有慢光特性的光子器件被广泛应用于光学非线性、光开关、脉冲延迟、量子光学、光存储和光增益等领域。其中，光延迟线是集成光学与光通信领域的关键器件之一，具有将光信号临时存储足够长时间后用于集成光路中光缓冲的功能。集成光子学的发展促进了光延迟线的小型化，在稳定性、调谐速度和功耗方面提出了更高的要求。慢光光子晶体波导的关键指标包括低群速度、高群折射率、在一定范围内的归一化延迟带宽积、低传输损耗(高透射率)和良好的色散特性。
采用光子晶体纳米结构可以缩小光延迟线的尺寸，适用于片上集成。光子晶体光延迟线有以下几种类型，包括光子晶体波导、基于光子晶体腔耦合谐振器的光波导以及光子晶体微环。2021年，横滨国立大学的研究者设计了一种微纳米尺寸的硅材料光子晶体慢光波导，可实现在光通信波段群折射率为20与归一化延迟带宽积为0.45的慢光传输[Siphotonic crystal slow-light waveguides optimized through informaticstechnology.Optics Letters,2021,46(17):4422-4425]。到目前为止，慢光光子晶体波导结构的光延迟线大多工作在光通信波段，多采用硅材料实现宽光子带隙用于光延迟线的高透射传输。然而，在可见光波段选择吸收较小的材料实现光子晶体的单向慢光传输功能仍有待研究。
与传统的光子晶体慢光器件相比，能谷光子晶体的设计具有透射率高、单向传输和结构紧凑的优点。能谷光子晶体慢光波导在不同波长范围内的慢光传输已经得到证实，包括近红外、光通信和G赫兹频段。2021年，东京大学的研究者报道了在能谷光子晶体波导中嵌入单光子源的实验，证实了单光子源可以在边缘态上实现慢光传输，在近红外波长900nm附近的群折射率大于20[Topologically-protected single-photon sources withtopological slow light photonic crystal waveguides.Laser&Photonics Reviews,2021,16(8):2200077]。也有研究报道了能谷光子晶体慢光波导在近红外波长1500nm附近可实现单向抗散射慢光传输，其尺寸约为15μm×10μm[Experimental demonstration oftopological slow light waveguides in valley photonic crystals.Optics Express,2021,29(9):13441-13450]。2022年，江南大学的研究者提出了一种夹层光子晶体拓扑慢光波导结构，可实现归一化延迟带宽积为0.2694，群折射率为12.85的慢光传输[Zero-GVDslow light of coupled topologicaledge states in a sandwiched photonic crystalwaveguide.Optical Materials Express,2022,12(11):4252-4260]，并通过改变边缘态结构的有效折射率实现了不同的群速度与群折射率。目前光延迟线与慢光波导的研究大多在微波段与近红外波段，而在可见光波段的拓扑慢光波导还很少有人涉及。
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：提供一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，以实现可见光波段的单向慢光传输。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，包括二维六方氮化硼基底，所述二维六方氮化硼基底上刻蚀有多个空气孔；以与光入射方向平行的交界线为界，位于交界线一侧的多个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，位于交界线另一侧的多个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，且所述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相对于所述交界线呈镜像设置，位于交界线两侧的两排空气孔形成拓扑光波导。
所述空气孔为圆形，其半径r的取值范围为0.22a～0.27a，其中a表示第一能谷光子晶体结构中相邻两个空气孔的距离。
所述a的取值范围为180～260nm。
形成拓扑光波导的两排空气孔的几何中心的距离h的取值范围为105～150nm。
所述空气孔深度等于二维六方氮化硼基底的厚度，贯穿所述二维六方氮化硼基底，二维六方氮化硼基底的厚度为200～1000nm。
在可见光波段内，二维六方氮化硼基底在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平面为二维六方氮化硼基底所在平面，z为垂直于二维六方氮化硼基底的方向；空气孔的折射率为1。
所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，还包括设置在形成拓扑光波导的两排空气孔内的液晶柱，所述液晶柱通过注入方式形成，用于在外加电场下实现工作波长的调谐。
所述液晶柱的材料为向列型液晶材料或者胆甾型液晶材料。
外加电场方向垂直所述拓扑光波导的延伸方向。
所述的一种可见光波段二维六方氮化硼可调谐拓扑单向慢光传输结构，其工作波段为可见光波段。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，在可见光波段(636nm-646nm)内实现了正向透射率高于0.68的单向传输，在峰值波长650nm处的正向透射率为0.75。此外，通过在拓扑光波导内填充液晶材料，仿真证实在外加电压下液晶材料的光学性质变化对能谷光子晶体边缘态色散特性的影响，可以实现背向散射抑制的可调谐单向慢光传输功能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构；
图2为本发明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为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(a)和群折射率与群速度随波矢的分布图(b)；
图4为右旋圆偏振光在本发明的结构中传播的透射率图；
图5为本发明实施例中的不同电压下边缘态能带的局部色散曲线(a)和慢光频率(波长)随电压的变化图(b)；
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，6为交界线，7为液晶柱。
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，本发明实施例提供了一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，包括二维六方氮化硼基底1，所述二维六方氮化硼基底1上刻蚀有多个空气孔2；以与光入射方向平行的交界线6为界，位于交界线6一侧的多个空气孔2呈三角晶格周期性排列形成第一能谷光子晶体结构4，位于交界线6另一侧的多个空气孔2呈三角晶格周期性排列形成第二能谷光子晶体结构5，且所述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相对于所述交界线6呈镜像对称排列设置，位于交界线6两侧的两排空气孔2，即第一能谷光子晶体结构4中靠近交界线6的一排空气孔和第二能谷光子晶体结构5中靠近交界线的一排空气孔2形成拓扑光波导3。
具体地，本实施例中，所述空气孔2为圆形，其半径r的取值范围为0.22a～0.27a，其中a表示第一能谷光子晶体结构4中相邻两个空气孔2的距离。具体地，所述a的取值范围为180～260nm。
具体地，本实施例中，形成拓扑光波导3的两排空气孔2的几何中心的距离h的取值范围为105～150nm。
具体地，本实施例中，所述空气孔2深度等于二维六方氮化硼基底1的厚度，空气孔2，贯穿所述二维六方氮化硼基底1，二维六方氮化硼基底1的厚度为d＝200～1000nm。
进一步地，本实施例中，所述空气孔2的半径为r＝60nm，第一能谷光子晶体结构4和第二能谷光子晶体结构5中，各个相邻两个空气孔2的距离a取值为a＝230nm。hBN基底1的厚度为220nm。形成拓扑光波导的上下两排空气孔的几何中心的距离为h＝133nm。
具体地，本实施例中，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；空气孔2的折射率为1。
进一步地，本实施例的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，还包括设置在形成拓扑光波导3的两排空气孔2内的液晶柱7，所述液晶柱7通过注入液晶材料的方式形成，用于在外加电场下实现工作波长的调谐。具体地，所述液晶柱7的材料为向列型液晶材料或者胆甾型液晶材料。具体地，外加电场方向垂直于所述拓扑光波导3的延伸方向，即垂直于所述交界线6所在直线方向。
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：首先将hBN薄片剥落到开槽的硅基板上，然后沉积15nm的钨层，将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋转镀膜在钨层上。下一步，通过电子束光刻在聚甲基丙烯酸甲酯上制备结构的图案。将其转印后通过反应离子刻蚀转移到钨掩膜上，再以钨层为掩模使用电子束诱导刻蚀刻出hBN的结构，最后使用双氧水去除钨掩模，获得完整的hBN光子晶体结构。
运用时域有限差分法(FDTD)计算蜂窝晶格圆形格点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，蜂窝晶格圆形格点hBN光子晶体结构由于六方晶格C6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半径，直至将间隔的空气孔半径变为零，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。由于晶格结构从C6对称降低到C3对称，狄拉克点打开，出现范围为0.345-0.362a/λ(635.5nm-667nm)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中(a)所示，边缘态结构从0.345-0.362a/λ(635.5nm-667nm)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。光波的传输速度vg(即色散曲线的斜率)的计算公式如下：vg＝dω/dk＝c/ng。从图3中(a)可以看出色散曲线的拐点所在位置为群速度最小的频率点，分别在波矢k＝0和k＝±0.14的位置，其切线指向水平方向(黑色箭头)，说明在这些频率的附近可以实现较低的光波传输速度，具有慢光传输的可能性。根据不同波矢下k＝±0.12范围内的群折射率与群速度分布，可以看出在图3中(a)虚线框范围内波矢k＝0的左右两侧群速度呈现出方向相反、变化趋势相同的情况。在波矢k＝0处的群折射率可以达到一个较大的值(>1000)，如图3中(b)所示。在理论上波矢k＝0处的位置为群速度方向改变的点，该点所对应波长645.3nm的群折射率可以达到无穷大，群速度接近于零。
本实施例提供的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构中，右旋圆偏振光在结构中的正向透射光功率和反向透射光功率分别用TF和TB表示，透射对比度定义为C＝(TF-TB)/(TF+TB)，利用时域有限差分法(FDTD)计算透射谱图，如图4，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TF和反方向透射率TB。从637nm到644nm工作带宽内的正向透射率高于-1.67dB(0.68)，反向透射率低于-8.53dB(0.14)。在峰值波长650nm处的正向透射率为-0.63dB(0.89)，反向透射率为-9.20dB(0.12)，说明本发明基于能谷光子晶体的慢光波导结构可实现可见光波的单向传输。
当拓扑波导的两排空气孔中注入向列型或者胆甾型液晶材料形成液晶柱后，液晶的双折射率Δn由非寻常光折射率ne与寻常光折射率no的差值决定(Δn＝ne-no)。当注入向列液晶材料后，在未加电场的情况下，no＝1.51，ne＝1.73。本实施例中，将透明电极(ITO)或者金属电极(Au)加在拓扑波导的上方第一能谷光子晶体表面和下方第二能谷光子晶体表面，通过向电极施加电压，可以在整个拓扑波导上形成电场，电场方向与拓扑波导的延伸方向垂直，当施加电压越大时其空间电场越大。
如图5所示，随着电压的不断增大，非寻常光折射率在变小，直至趋向于寻常光折射率。在外加电场逐渐增大的过程中，色散曲线最低点的慢光频率从0V时的0.339a/λ(678nm)变为了3V时的0.343a/λ(671nm)，展现出了8nm的慢光调谐范围，如图5中(a)和(b)所示。上述结论表明，本实施例中，慢光波长会随着电压的增加而发生蓝移，可实现在671nm到678nm可见光范围内的慢光调谐。应说明的是，在拓扑光波导3的空气孔中加入液晶材料，会影响单向慢光传输的波长范围，使其发生工作波长发生移动，但并不影响其单向慢光输出的效果，并且，能在外界电场作用下实现可见光传输波段的波长调谐。
综上所述，本发明提供一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，实现了右旋圆偏振光波的高效单向传输，而且，通过注入液晶材料，调节结构所处环境电场强度，还可以调谐工作波长，本发明取得了原理性突破，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 (10)
1.一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，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)上刻蚀有多个空气孔(2)；以与光入射方向平行的交界线(6)为界，位于交界线(6)一侧的多个空气孔(2)呈三角晶格周期性排列形成第一能谷光子晶体结构(4)，位于交界线(6)另一侧的多个空气孔(2)呈三角晶格周期性排列形成第二能谷光子晶体结构(5)，且所述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)相对于所述交界线(6)呈镜像设置，位于交界线(6)两侧的两排空气孔(2)形成拓扑光波导(3)。
2.根据权利要求1所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，其特征在于，所述空气孔(2)为圆形，其半径r的取值范围为0.22a～0.27a，其中a表示第一能谷光子晶体结构(4)中相邻两个空气孔(2)的距离。
3.根据权利要求2所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，其特征在于，所述a的取值范围为180～260nm。
4.根据权利要求1所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，其特征在于，形成拓扑光波导(3)的两排空气孔(2)的几何中心的距离h的取值范围为105～150nm。
5.根据权利要求1所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，其特征在于，所述空气孔(2)深度等于二维六方氮化硼基底(1)的厚度，贯穿所述二维六方氮化硼基底(1)，二维六方氮化硼基底(1)的厚度为200～1000nm。
6.根据权利要求5所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，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；空气孔(2)的折射率为1。
7.根据权利要求1所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，其特征在于，还包括设置在形成拓扑光波导(3)的两排空气孔(2)内的液晶柱(7)，所述液晶柱(7)通过注入方式形成，用于在外加电场下实现工作波长的调谐。
8.根据权利要求7所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，其特征在于，所述液晶柱(7)的材料为向列型液晶材料或者胆甾型液晶材料。
9.根据权利要求8所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，其特征在于，外加电场方向垂直所述拓扑光波导(3)的延伸方向。
10.根据权利要求1所述的一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构，其特征在于，其工作波段为可见光波段。
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| CN202311191888.7A Pending CN117075258A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 一种可见光波段六方氮化硼拓扑单向慢光传输结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117075258A (zh) |
-
2023
- 2023-09-15 CN CN202311191888.7A patent/CN117075258A/zh active Pending
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