基于一维光子莫尔晶格的拓扑索利斯泵及其实现方法

本发明涉及纳米光学领域，具体涉及一种基于一维光子莫尔晶格的拓扑索利斯泵及其实现方法。

背景技术：

1、阿基米德螺旋泵是一种用于把水从低处抽往高处的机械装置，其主体由一个圆筒和筒内的一长串螺旋叶片构成，叶片每旋转一周，筒内的水就往上推进一个螺距。索利斯泵是阿基米德螺旋泵的量子版本，可以被用于观测系统的拓扑变量，考虑一个束缚着微观粒子的一维无限长的周期势阱，足够缓慢地调整该势阱的形状，同时保持其空间周期性，并且使得调整结束时势阱复原。该过程引发的粒子输运是整数，相当于整数量子霍尔效应的动态版本。该整数与参数空间的拓扑性质有关。

2、莫尔晶格是指两个具有相同或者相似周期结构的子晶格重叠形成的复合结构，由于两个子晶格之间存在转角或者是晶格常数的差异，复合结构会在原来子晶格周期的基础上，产生一套长周期图样，即莫尔条纹。其独特的物理性质主要起源于范德华尔斯异质结结构的层间耦合，扭曲电子学就是在此基础上新发展的学科方向。莫尔晶格可以产生不同于单一子晶格的光子能带，丰富了光场传输和局域的特性，在两层结构的转角满足特定关系时色散带中通常会产生平带。

3、二维光学莫尔晶格索利斯泵的结构基于两个倾斜和相互扭曲和移位的正方晶格的三维旋转，横截面是两个存在转角的正方晶格的叠加，沿晶体传播的过程中材料的折射率分布均匀，但相对转角在不断变化，所以莫尔条纹发生绝热滑动并周期性的产生和消失，且演化过程中能带也产生了周期性的变化。莫尔晶格使得能带变平，并引入了非平凡拓扑带隙，保证了演化过程中始终没有出现能带交叉，不依赖于任何限制机制产生定向泵浦。为了在光折变晶体中写入三维晶格，需要光折变晶体中的光学晶格感应技术，实验条件要求很高且实验操作困难。在声学实验条件下，通过双层一维声学超材料实现动态拓扑索利斯泵。顶部和底部具有不相称晶格常数的圆柱形声学谐振器周期性阵列组成的声学双分子层，顶部晶体匀速滑动，底部晶体保持固定，所以整个系统的能带会产生周期性的变化。系统产生从一个边界到另一个边界的定向拓扑泵浦。这种体系需要机械装置让顶部的晶格匀速移动，且双层结构在光学实验条件下制备困难，所以在光学尺度无法适用。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于一维光子莫尔晶格的拓扑索利斯泵及其实现方法。

2、本发明的一个目的在于提出一种基于一维光子莫尔晶格的拓扑索利斯泵。

3、本发明的基于一维光子莫尔晶格的拓扑索利斯泵包括：基底、晶格常数渐变光子晶体和晶格常数恒定光子晶体；其中，基底采用介电材料，基底内分别形成上下两排一维排列的多个互相平行的波导，波导的方向垂直于一维排列方向，波导的折射率大于基底的折射率，每个波导的形状和尺寸相同，并且每一排波导的中心轴位于同一个平面，与每一排波导的上表面和下表面相切的平面之间分别构成晶格常数渐变光子晶体和晶格常数恒定光子晶体；晶格常数渐变光子晶体中的多个波导分成m组，每一组包括n个波导，每一组波导中相邻的波导之间的距离相同，即晶格常数一致，m组波导的晶格常数沿着排列方向呈等差变化，第i组波导的晶格常数di＝d1±δ(i-1)，i＝1,…,m，d1为第一组波导的晶格常数，δ为公差；晶格常数恒定光子晶体中一维排列的波导所处的平面与晶格常数渐变光子晶体中一维排列的波导所处的平面互相平行，且二者之间有距离且距离大于波导的直径，晶格常数恒定光子晶体中相邻的波导之间的距离恒定，晶格常数为dc；晶格常数渐变光子晶体的每一组波导所在的部分和与其位置相对应的晶格常数恒定光子晶体的那部分以及二者之间的基底构成一个莫尔晶格，各个莫尔晶格的周期不同，形成m个周期不同的莫尔晶格，晶格常数渐变光子晶体的第i组波导与其位置相对应的晶格常数恒定光子晶体的那一部分波导构成第i莫尔晶格，第i莫尔晶格的周期为莫尔晶格能带中始终存在拓扑带隙，莫尔晶格具有拓扑边界态，相邻的两个莫尔晶格的周期存在差异，从一侧入射至莫尔晶格的信号光，在传播过程中在一个莫尔晶格内模式从一侧边界态变成体态，再变成另一侧的边界态；激光器输出光信号，光信号的频率与拓扑索利斯泵的工作频率一致，在工作频率下，拓扑索利斯泵的传播模态包括左边界态、体态和右边界态，左边界态、体态和右边界态分别具有不同的有效模式折射率，有效模式折射率即传播常数；信号光从拓扑索利斯泵的晶格常数恒定光子晶体的最左侧波导沿着波导方向入射，相邻的第j+1莫尔晶格与第j莫尔晶格的周期存在差异，j＝1,…m-1，在传输过程中，信号光先与左边界态的有效模式折射率匹配，信号光的光场局域在第j莫尔晶格的最左侧波导产生左边界态，即在第j莫尔晶格最左侧的上下两个波导都存在信号光；在沿着波导传输的过程中，信号光与体态的有效模式折射率匹配，信号光的光场弥散到整个第j莫尔晶格中，此时左边界态消失，模式从左边界态演化为体态；在继续沿着波导传输的过程中，信号光与右边界态的有效模式折射率匹配，此时模式局域在第j莫尔晶格的右侧波导产生右边界态，模式从体态演化为右边界态，信号光按照左边界态、体态和右边界态的模式完成第j莫尔晶格的传输，信号光继续传输至右侧相邻的第j+1莫尔晶格，相邻的j+2莫尔晶格与第j+1莫尔晶格的周期存在差异，沿波导的传输过程中信号光继续按照左边界态、体态和右边界态的模式完成第j+1莫尔晶格的传输，直至最右侧的莫尔晶格，从最右侧的两根波导输出；同理，信号光从拓扑索利斯泵的晶格常数恒定光子晶体的最右侧波导沿着波导方向入射，相邻的第j+1莫尔晶格与第j莫尔晶格的周期存在差异，j＝1,…m-1，在传输过程中，信号光先与右边界态的有效模式折射率匹配，信号光的光场局域在第j莫尔晶格的最右侧波导产生右边界态，即在第j莫尔晶格最右侧的上下两个波导都存在信号光；在沿着波导传输的过程中，信号光与体态的有效模式折射率匹配，信号光的光场弥散到整个第j莫尔晶格中，此时右边界态消失，模式从右边界态演化为体态；在继续沿着波导传输的过程中，信号光与左边界态的有效模式折射率匹配，此时模式局域在第j莫尔晶格的左侧波导产生左边界态，模式从体态演化为左边界态，信号光按照右边界态、体态和左边界态的模式完成第j莫尔晶格的传输，信号光继续传输至左侧相邻的第j+1莫尔晶格，相邻的j+2莫尔晶格与第j+1莫尔晶格的周期存在差异，沿波导的传输过程中信号光继续按照右边界态、体态和左边界态的模式完成第j+1莫尔晶格的传输，直至最左侧的莫尔晶格，从最左侧的两根波导输出，形成拓扑索利斯泵无辅助的定向泵浦。

4、基底采用玻璃、氮化硅或硅，基底采用玻璃，波导的截面形状为圆形，基底采用氮化硅或硅，波导的截面形状为矩形。晶格常数渐变光子晶体的波导与晶格常数恒定光子晶体的波导的折射率相同，波导的折射率为1.441～1.443，截面半径为1μm～3μm，长度为20mm～60mm，沿垂直于波导长度方向的晶格常数渐变光子晶体和晶格常数恒定光子晶体的宽度为阵列宽度，阵列宽度越长，波导的长度越长，波导的长度大于阵列宽度。晶格常数渐变光子晶体的第一组波导的晶格常数d1为16μm～20μm；公差δ为1μm～2μm；晶格常数恒定光子晶体的晶格常数dc为6μm～12μm；晶格常数恒定光子晶体的晶格常数小于晶格常数渐变光子晶体的任一组波导的晶格常数。晶格常数渐变光子晶体所在平面与晶格常数恒定光子晶体所在平面之间的距离为6～10μm。晶格常数渐变光子晶体中波导的组数m≥2，每一组中波导的个数n为5～20。

5、本发明的另一个目的在于提出一种基于一维光子莫尔晶格的拓扑索利斯泵的实现方法。

6、本发明的基于一维光子莫尔晶格的拓扑索利斯泵的实现方法，包括以下步骤：

7、一.拓扑索利斯泵的制备：

8、i.提供介电材料作为基底，采用激光直写或电子束光刻-镀膜-电子束光刻的方式在基底内分别形成上下两排一维排列的多个互相平行的波导，波导的方向垂直于一维排列方向，波导的折射率大于基底的折射率，每个波导的形状和尺寸相同，并且每一排波导的中心轴位于同一个平面，与每一排波导的上表面和下表面相切的平面之间分别构成晶格常数渐变光子晶体和晶格常数恒定光子晶体；

9、ii.晶格常数渐变光子晶体中的多个波导分成m组，每一组包括n个波导，每一组波导中相邻的波导之间的距离相同，即晶格常数一致，m组波导的晶格常数沿着排列方向呈等差变化，第i组波导的晶格常数di＝d1±δ(i-1)，i＝1,…,m，d1为第一组波导的晶格常数，δ为公差；

10、iii.晶格常数恒定光子晶体中一维排列的波导所处的平面与晶格常数渐变光子晶体中一维排列的波导所处的平面互相平行，且二者之间有距离且距离大于波导的直径，晶格常数恒定光子晶体中相邻的波导之间的距离恒定，晶格常数为dc；

11、iv.晶格常数渐变光子晶体的每一组波导所在的部分和与其位置相对应的晶格常数恒定光子晶体的那部分以及二者之间的基底构成一个莫尔晶格，各个莫尔晶格的周期不同，形成m个周期不同的莫尔晶格，晶格常数渐变光子晶体的第i组波导与其位置相对应的晶格常数恒定光子晶体的那一部分波导构成第i莫尔晶格，第i莫尔晶格的周期为

12、

13、v.莫尔晶格能带中始终存在拓扑带隙，莫尔晶格具有拓扑边界态，相邻的两个莫尔晶格的周期存在差异，从一侧入射至莫尔晶格的信号光，在传播过程中在一个莫尔晶格内模式从一侧边界态变成体态，再变成另一侧的边界态；

14、二.实现无辅助的定向泵浦：

15、1)激光器输出光信号，光信号的频率与拓扑索利斯泵的工作频率一致，在工作频率下，拓扑索利斯泵的传播模态包括左边界态、体态和右边界态，左边界态、体态和右边界态分别具有不同的有效模式折射率；

16、2)从左至右拓扑泵浦：

17、a)信号光从拓扑索利斯泵的晶格常数恒定光子晶体的最左侧波导沿着波导方向入射，相邻的第j+1莫尔晶格与第j莫尔晶格的周期存在差异，j＝1,…m-1，在传输过程中，信号光先与左边界态的有效模式折射率匹配，信号光的光场局域在第j莫尔晶格的最左侧波导产生左边界态，即在第j莫尔晶格最左侧的上下两个波导都存在信号光；

18、b)在沿着波导传输的过程中，信号光与体态的有效模式折射率匹配，信号光的光场弥散到整个第j莫尔晶格中，此时左边界态消失，模式从左边界态演化为体态；

19、c)在继续沿着波导传输的过程中，信号光与右边界态的有效模式折射率匹配，此时模式局域在第j莫尔晶格的右侧波导产生右边界态，模式从体态演化为右边界态，信号光按照左边界态、体态和右边界态的模式完成第j莫尔晶格的传输；

20、d)信号光传输至右侧相邻的第j+1莫尔晶格，相邻的j+2莫尔晶格与第j+1莫尔晶格的周期存在差异，沿波导的传输过程中，信号光重复步骤a)～c)继续按照左边界态、体态和右边界态的模式完成第j+1莫尔晶格的传输，直至最右侧的莫尔晶格，从最右侧的两根波导输出，形成拓扑索利斯泵无辅助的定向泵浦；

21、3)从右至左拓扑泵浦：

22、a)信号光从拓扑索利斯泵的晶格常数恒定光子晶体的最右侧波导沿着波导方向入射，相邻的第j+1莫尔晶格与第j莫尔晶格的周期存在差异，j＝1,…m-1，在传输过程中，信号光先与右边界态的有效模式折射率匹配，信号光的光场局域在第j莫尔晶格的最右侧波导产生右边界态，即在第j莫尔晶格最右侧的上下两个波导都存在信号光；

23、b)在沿着波导传输的过程中，信号光与体态的有效模式折射率匹配，信号光的光场弥散到整个第j莫尔晶格中，此时右边界态消失，模式从右边界态演化为体态；

24、c)在继续沿着波导传输的过程中，信号光与左边界态的有效模式折射率匹配，此时模式局域在第j莫尔晶格的左侧波导产生左边界态，模式从体态演化为左边界态，信号光按照右边界态、体态和左边界态的模式完成第j莫尔晶格的传输；

25、d)信号光传输至左侧相邻的第j+1莫尔晶格，相邻的j+2莫尔晶格与第j+1莫尔晶格的周期存在差异，沿波导的传输过程中，信号光重复步骤a)～c)继续按照右边界态、体态和左边界态的模式完成第j+1莫尔晶格的传输，直至最左侧的莫尔晶格，从最左侧的两根波导输出，形成拓扑索利斯泵无辅助的定向泵浦。

26、本发明的优点：

27、本发明通过设置波导的排列方式分别构成晶格常数渐变光子晶体和晶格常数恒定光子晶体，并且二者构成莫尔晶格；在信号光沿波导传输的过程中，莫尔晶格的周期缓慢且不断变化，实现边界到边界的拓扑泵浦；本发明制备条件简单通用，能够在光学波段实验和测量，测量过程简单，不需要外界机械或者手动控制调整到达下一个参数，不需要任何类型的横向约束或非线性作为自约束机制。