一种拓扑光子晶体结构、光波导以及光分束器

本发明涉及拓扑光子晶体，尤其是指一种拓扑光子晶体结构、光波导以及光分束器。

背景技术：

1、传统电路传输伴有的发热特性，制约着集成单元超高计算的发展。随着集成光学的发展，以拓扑绝缘体为基础的光子集成电路(pics)展现了极强了潜力。拓扑绝缘体因其自身绝缘，但在边界处可传输的特性，被认为是极具潜力的材料，拓扑绝缘体的存在使得克服这些障碍变得可能。学者们在广泛研究拓扑绝缘体的能带理论的基础上，实现了量子霍尔效应(quantum halleffect，qhe)、量子自旋霍尔效应(quantum spin hall effect，qshe)和量子谷霍尔效应(quantum valley hall effect，qvhe)。在量子霍尔效应系统中，外部磁场作用于系统，导致时间反演对称性(time reversal symmetry，trs)被破坏。qshe通过构建赝自旋，即在工作系统中模拟电子的自旋自由度，依靠着自旋-轨道耦合实现。而qvhe可以通过引入谷自由度而实现。qvhe比qhe和qshe更容易构造和实现，所以结构形状有着更丰富的多样性。

2、各种基于qvhe的光子晶体，即谷光子晶体(valley photonic crystal，vpc)已经被研究和描述，通过打破六边形单胞晶格的空间反演对称性，可以实现k或k'点的双重简并。由于它们不光具有传统pcs的固有特性，还具有谷极化的特性，吸引了人们极大的兴趣。实现vpc有很多模型和方法，如晶格变形、运用可调介电材料通过运用拓扑边缘态良好的抗后向散射性和鲁棒性，设计了基于各种传输通道的光波导、光分束器、光滤波器、光谐振腔等器件。但稳定的胞体结构和性质、更大的带隙宽度依旧是研究的锚点和目标，因此需要研究新的结构和拓扑相变来实现vpc。同时由于谷拓扑保护运输的鲁棒性，120°和60°的急弯在分束器和分频器中得到广泛应用，但具有90°急弯，且具有高传输效率的拓扑光子晶体分束器或分频器有待探究。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种拓扑光子晶体结构、光波导以及光分束器。

2、一种拓扑光子晶体结构，由多个正六边形晶胞排列而成，相邻正六边形晶胞中心之间的距离是晶格常数为a；单个所述正六边形晶胞包括在空气中平行排列且具有c3对称结构的三个介质柱，所述三个介质柱的截面为外径为r1、内径为r2、中心角为60°的扇环，所述三个介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角为-30°≤θ≤30°，定义所述三个介质柱关于所述正六边形晶胞中点连线对称时的偏转角为θ＝0°。

3、优选地，外径为r1＝0.5*a，内径为r2＝a/3拓扑带隙的频率范围为0.2583c/a～0.3364c/a，其中a为晶格常数，c为自由空间中的光速。

4、优选地，两个相邻的所述晶胞中心的距离是晶格常数a＝1μm；空气的介电常数ε0＝1；介质柱的材质为硅，其介电常数为ε1＝11.7。

5、优选地，偏转角θ＝30°的拓扑光子晶体晶胞，标记为vpc1；偏转角θ＝0°的拓扑光子晶体晶胞，标记为vpc3；偏转角θ＝-30°的拓扑光子晶体晶胞，标记为vpc2。

6、一种光波导，由如上所述的拓扑光子晶体结构组成，包括：

7、第一晶体单元，包括一组偏转角θ＝30°的晶胞vpc1，所述晶胞vpc1以其横截面的中心向其周围六个方向发散、呈阵列方式排列；

8、第二晶体单元，包括一组偏转角θ＝-30°的晶胞vpc2，所述晶胞vpc2以其横截面的中心向其周围六个方向发散、呈阵列方式排列；

9、其中，晶胞vpc2位于晶胞vpc1上方形成的边界为edge1型边缘态，晶胞vpc1位于晶胞vpc2上方形成的边界为edge2型边缘态；所述第一晶体单元和第二晶体单元之间的交界面为edge1型和edge2型边界态中的一种或两种。

10、优选地，所述光波导具有60°折弯和/或120°折弯。

11、优选地，所述光波导具有拉链式边界态，所述拉链式边界态由edge1型和edge2型边界态间隔分布而成；位于交界面两侧的晶胞vpc1与晶胞vpc2的轴线位于同一平面上，在具有所述拉链式边界态的光波导中传输的电磁波以交叉方式缠绕前进。

12、优选地，所述光波导具有90°折弯。

13、优选地，该光波导具有四个象限，所述第一晶体单元位于其中两个相对的象限内，所述第二晶体单元位于另外两个相对的象限内；其中，第二象限与所述第三象限的交界面为输入端，第一象限与第二象限以及第三象限与第四象限之间的交界面为拉链式边界态。

14、一种光分束器，所述光分束器包括如权利要求5-9任意一项所述的光波导，该光分束器具有一个输入通道，和三个输出通道；所述三个输出通道分别为第一输出通道、第二输出通道和第三输出通道，所述第一通道和所述第二通道与所述输入通道垂直，且分居于所述输入通道的两侧；所述输入通道为edge1型边界态，第一输出通道和第二输出通道为拉链式边界态，第三输出通道为edge2型边界态。

15、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

16、1、本发明所述的拓扑光子晶体结构通过旋转晶胞中的三个介质柱可实现拓扑相变，形成两种拓扑光子晶体结构。

17、2、将得到的两种拓扑特性相反的晶胞结构堆叠并进行阵列排列可以构造具备不同边界态的光波导，拉链式边界态中的电磁波有两条传输路径，电磁波在拉链式边界态的上下边缘处以交叉方式缠绕前进。由于该两种晶胞结构拓扑特性相反，因此携带轨道角动量的光束可在这两种光子晶体的界面上单向传输，而不受局域杂质或缺陷的干扰。

18、3、通过利用光波导的边界态进行不同的排列，可以得到直波导或带有60°、90°、120°弯角的波导。

19、4、由本发明提出的光分束器，其输入通道为edge1型边界态，第一输出通道和第二输出通道为拉链式边界态，第三输出通道为edge2型边界态，因第三输出通道在78thz～86.5thz范围内传输率低于0.05，从而能在同一个光子晶体器件中实现分频功能。

技术特征：

1.一种拓扑光子晶体结构，其特征在于，由多个正六边形晶胞排列而成，相邻正六边形晶胞中心之间的距离是晶格常数为a；单个所述正六边形晶胞包括在空气中平行排列且具有c3对称结构的三个介质柱，所述三个介质柱的截面为外径为r1、内径为r2、中心角为60°的扇环，所述三个介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角为-30°≤θ≤30°，定义所述三个介质柱关于所述正六边形晶胞中点连线对称时的偏转角为θ＝0°。

2.根据权利要求1所述的拓扑光子晶体结构，其特征在于，外径为r1＝0.5*a，内径为r2＝a/3，拓扑带隙的频率范围为0.2583c/a～0.3364c/a，其中a为晶格常数，c为自由空间中的光速。

3.根据权利要求1所述的拓扑光子晶体结构，其特征在于，两个相邻的所述晶胞中心的距离是晶格常数a＝1μm；空气的介电常数ε0＝1；介质柱的材质为硅，其介电常数为ε1＝11.7。

4.根据权利要求1所述的拓扑光子晶体结构，其特征在于，偏转角θ＝30°的拓扑光子晶体晶胞，标记为vpc1；偏转角θ＝0°的拓扑光子晶体晶胞，标记为vpc3；偏转角θ＝-30°的拓扑光子晶体晶胞，标记为vpc2。

5.一种光波导，其特征在于，由如权利要求1-4任意一项所述的拓扑光子晶体结构组成，包括：

6.根据权利要求5所述的光波导，其特征在于，所述光波导具有60°折弯和/或120°折弯。

7.根据权利要求5所述的光波导，其特征在于，所述光波导具有拉链式边界态，所述拉链式边界态由edge1型和edge2型边界态间隔分布而成；位于交界面两侧的晶胞vpc1与晶胞vpc2的轴线位于同一平面上，在具有所述拉链式边界态的光波导中传输的电磁波以交叉方式缠绕前进。

8.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述光波导具有90°折弯。

9.根据权利要求8所述的光波导，其特征在于，该光波导具有四个象限，所述第一晶体单元位于其中两个相对的象限内，所述第二晶体单元位于另外两个相对的象限内；其中，第二象限与所述第三象限的交界面为输入端，第一象限与第二象限以及第三象限与第四象限之间的交界面为拉链式边界态。

10.一种光分束器，其特征在于，所述光分束器包括如权利要求5-9任意一项所述的光波导，该光分束器具有一个输入通道，和三个输出通道；所述三个输出通道分别为第一输出通道、第二输出通道和第三输出通道，所述第一通道和所述第二通道与所述输入通道垂直，且分居于所述输入通道的两侧；所述输入通道为edge1型边界态，第一输出通道和第二输出通道为拉链式边界态，第三输出通道为edge2型边界态。

技术总结
本发明涉及一种拓扑光子晶体结构、光波导以及光分束器。本发明所述的拓扑光子晶体结构通过旋转晶胞中的三个介质柱可实现拓扑相变，形成两种拓扑光子晶体结构。将得到的两种拓扑特性相反的晶胞结构堆叠并进行阵列排列可以构造具备不同边界态的光波导，包括直线型和分别带有60°、90°、120°弯角的波导，由于该两种晶胞结构拓扑特性相反，因此携带轨道角动量的光束可在这两种光子晶体的界面上单向传输，而不受局域杂质或缺陷的干扰。由本发明提出的类圆环介质柱构造的光子晶体结构，不仅能实现分束功能，且两条输出波导与输入波导成90°，而且能在同一个光子晶体器件中实现分频功能。

技术研发人员：许孝芳,沈云峰,孙铭,周文佶,常雅箐,殷伟峰
受保护的技术使用者：苏州城市学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24