基于双拓扑角态的二次谐波产生装置和方法

本发明属于拓扑光子学的，具体涉及一种基于双拓扑角态的二次谐波产生装置和方法。

背景技术：

1、二次谐波产生是获取新光源的重要手段，在激光技术、医疗生物成像、全光通信、量子计算、光路集成等领域具有极为广泛的应用前景。现有的二次谐波产生主要是借助非线性晶体、光纤和波导，需要满足严格的位相匹配条件，结构和实验条件复杂，不利于集成。为了实现高效的片上二次谐波产生，具有超高品质因子(q值)的微腔是一个很好的选择，因为它可以将光场集中在一个亚波长尺寸的空间内，使得光与物质的相互作用显著增强。同时，还要求这种微腔具有超高q值的双谐振模，并且这两个谐振模的频率应分别位于基频和二倍频，这样便可满足二次谐波产生所需的频率匹配条件。当前，二次谐波产生已经在微环谐振腔中实现，但微环谐振腔的尺寸对于片上集成来讲，还是较大，而且微环谐振腔具有较多的谐振模，这在一定程度上影响了二次谐波的转换效率。相比之下，光子晶体微腔具有更小的结构尺寸和更少的谐振模。随着微纳加工技术的发展，人们已能制作出具有超高q值的光子晶体微腔，但是，由于光子晶体带隙的宽度有限，光子晶体微腔的二倍频模式往往位于带隙之外而变成泄漏模，大大降低了二次谐波的转换效率。虽然通过将连续体中的束缚态引入光子晶体中可以部分地解决这个问题，但所产生的二倍频束缚态模式的q值仍然较低，因为这些束缚态依然位于光子晶体带隙之外，使得带隙对光的囚禁作用减弱。此外，微纳光子系统在制作过程中不可避免地会有加工误差，基于传统光子晶体微腔的二次谐波产生设备由于缺少拓扑保护，很容易受到这些加工缺陷的影响。因此，如何设计出一个受拓扑保护的高q值双模光子晶体微腔，使该双模不仅位于光子带隙内，而且满足频率匹配条件，成为一个十分重要和关键的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于双拓扑角态的二次谐波产生装置和方法，采用具有相同能带结构但体极化相反的内层拓扑光子晶体和外层拓扑光子晶体组成用于二次谐波产生的拓扑光子晶体结构，利用位于光子带隙内并满足频率匹配条件的两个拓扑角态间的非线性相互作用，实现高效的二次谐波产生，并受拓扑保护，从而对加工缺陷有较高的容忍度和鲁棒性。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于双拓扑角态的二次谐波产生装置，包括波长可调谐连续波激光器、可变光衰减器、偏振控制器、二色镜、微透镜、光谱分析仪、以及拓扑光子晶体结构，所述波长可调谐连续波激光器发出的基频信号光经过可变光衰减器、偏振控制器后，经二色镜反射再经透镜聚焦后射在内层拓扑光子晶体三角形区域的三个顶点中的任意一个上，所产生的二次谐波信号光经透镜和二向色镜透射后被光谱分析仪接收；所述拓扑光子晶体结构包括结构相同的外层拓扑光子晶体和内层拓扑光子晶体，所述外层拓扑光子晶体的晶胞结构为内层拓扑光子晶体的晶胞结构绕着晶胞中心旋转60°而形成，外层拓扑光子晶体的晶胞结构和内层拓扑光子晶体的晶胞结构均具有c3旋转对称性。

4、作为优选的技术方案，所述内层拓扑光子晶体的晶胞和外层拓扑光子晶体的晶胞均由介质柱组a和介质柱组b构成，介质柱的周围为空气；晶胞的横截面为正六边形，正六边形的边长为l＝a/3，其中a为相邻两个晶胞中心间的距离，介质柱组a和介质柱组b均位于晶胞横截面的内部。

5、作为优选的技术方案，所述介质柱组a由3根相同的横截面为圆形的氮化镓介质柱组成，这3根介质柱呈等边三角形排列，并分别与晶胞横截面的3个顶点的边线相切；所述介质柱组b由3根相同的横截面为1/3圆的氮化镓介质柱组成，介质柱的圆心与晶胞横截面的另外3个顶点重合。

6、作为优选的技术方案，所述介质柱组a和介质柱组b的半径分别为r1和r2，分别满足0.1a<r1<0.3a，0.1a<r2<0.3a，并且r2<r1。

7、作为优选的技术方案，所述内层拓扑光子晶体的区域边界为正三角形，外层拓扑光子晶体位于内层拓扑光子晶体的区域边界的外侧。

8、作为优选的技术方案，所述内层拓扑光子晶体和外层拓扑光子晶体具有完全相同的能带结构，但对应的体极化符号相反，体极化绝对值的大小均为1/3。

9、作为优选的技术方案，所述内层拓扑光子晶体和外层拓扑光子晶体的分界线处出现拓扑边界态，并在正三角形区域的三个顶点附近出现i型拓扑角态和ii型拓扑角态。

10、第二方面，本发明提供了一种基于双拓扑角态的二次谐波产生装置的二次谐波产生方法，包括下述步骤：

11、s1、在保持内层拓扑光子晶体的晶胞边长l和晶胞间距离a不变时，调节晶胞内介质柱组a和介质柱组b的半径r1和r2的大小，使能带出现第一光子带隙和第二光子带隙，并使第一光子带隙下面的能带对应的体极化为1/3，第二光子带隙下面的能带对应的体极化为-1/3；

12、s2、外层拓扑光子晶体的晶胞结构为内层拓扑光子晶体的晶胞结构绕着晶胞中心旋转60°而形成；由于外层拓扑光子晶体的晶胞采用和内层拓扑光子晶体的晶胞完全相同的结构，因此具有相同的能带，但对应的体极化符合相反，即外层拓扑光子晶体的第一光子带隙下面的能带对应的体极化为-1/3，第二光子带隙下面的能带对应的体极化为1/3；

13、s3、将内层拓扑光子晶体的区域边界取为正三角形，外层拓扑光子晶体位于内层拓扑光子晶体的区域边界的外侧，由于内层拓扑光子晶体和外层拓扑光子晶体的体极化不同，将在二者的交界处出现拓扑边界态，并在正三角形区域的三个顶点附近出现i型拓扑角态和ii型拓扑角态；

14、s4、保持内层拓扑光子晶体和外层拓扑光子晶体的晶胞边长l、晶胞间距离a，以及介质柱组a的半径r1不变，在0.85<r2/r1<1.05的范围内调节r2的大小，使得位于第二光子带隙中的ii型角态的本征频率f2和位于第一光子带隙中的i型角态的本征频率f1满足f2＝2f1，从而满足实现二次谐波产生所需的频率匹配条件；

15、s5、调节波长可调谐连续波激光器的中心波长，使其与i型角态的本征频率f1相等，这样当波长可调谐连续波激光器发射出的激光照射在内层拓扑光子晶体三角形区域的三个顶点中的任意一个上时，首先将i型角态激发出来，调节波长可调谐连续波激光器的功率和可变光衰减器，当照射在内层拓扑光子晶体上的光功率密度达到并超过二次谐波产生阈值时，i型角态和ii型角态间将产生非线性相互作用，从而将ii型角态所对应的二倍频模式激发出来，实现高效的二次谐波产生，并受拓扑保护。

16、作为优选的技术方案，步骤s3中，其中i型拓扑角态由介质柱间的最近邻相互作用产生，其电场分布集中在内层拓扑光子晶体三角形区域的三个顶点上，ii型拓扑角态由介质柱间的次近邻和长程相互作用产生，其电场沿着内层拓扑光子晶体三角形区域的三个顶点附近边线对称或反对称分布，这些拓扑角态由于位于光子带隙内。

17、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

18、(1)现有的二次谐波产生技术，主要是借助非线性晶体、光纤和波导，需要满足严格的位相匹配条件，结构和实验条件复杂，不利于集成。而本发明无需相位匹配设计，因为在基于拓扑角态的系统中，谐振模的平均波矢为0，自动满足位相匹配条件，结构简单，易于实现和集成。

19、(2)现有的基于微腔的二次谐波产生技术，主要是借助环形微腔和光子晶体微腔。但微环谐振腔的尺寸相对较大，不利于集成，而且具有较多的谐振模，这在一定程度上影响了二次谐波的转换效率。而光子晶体微腔具有更小的结构尺寸和更少的谐振模，但由于光子晶体带隙的宽度有限，光子晶体微腔的二倍频模式往往位于带隙之外而变成泄漏模，从而大大降低了二次谐波的转换效率。而本发明提出的基于双拓扑角态的光子系统，基频和二倍频模式均位于光子带隙之内，从而不仅满足频率匹配条件，而且具有超高的q值，有利于实现高效的二次谐波产生。

20、(3)现有的基于微腔的二次谐波产生技术，无论是基于环形微腔还是光子晶体微腔，这些传统的微腔系统由于不受拓扑保护，因此其工作性能不可避免地容易受到微纳光子系统制作过程中加工误差的影响。而本发明提出的基于双拓扑角态的二次谐波产生技术，由于受拓扑保护，该系统对加工缺陷有较高的容忍度和鲁棒性。

21、(4)现有的基于光子晶体微腔的二次谐波产生技术，虽然通过将连续体中的束缚态引入光子晶体中可以解决二次谐波频率匹配的问题，但所产生的二倍频束缚态模式的q值仍然较低(103～104量级)，这将影响二次谐波转换效率。而本发明提出的基于双拓扑角态的二次谐波产生技术，所设计的拓扑角态的q值高达108量级，远高于现有的光子晶体微腔和其他所报道的拓扑角态的q值，从而具有超高的二次谐波转换效率。