本发明涉及光电，具体是涉及到一种基于拓扑光子晶体的光学滤波器设计方法、设备及介质。
背景技术：
1、光滤波器件作为现代光学系统的核心元件，其性能直接影响光通信、光谱分析和光学传感等领域的系统效能。传统光子晶体滤波器主要依赖于周期性结构产生的光子带隙实现波长选择功能，但存在三个显著的技术瓶颈：第一，其滤波特性对入射角度高度敏感，导致实际应用中需严格控制光束入射条件；第二，结构缺陷或环境扰动易引起光子局域态频率漂移，降低系统稳定性；第三，为实现高品质因子往往需要复杂的谐振腔设计，导致器件体积增大且集成度受限。
2、近年来，拓扑光子学的发展为突破上述技术瓶颈提供了新思路。通过引入拓扑能带理论，研究者发现拓扑边界态具有背向散射抑制和缺陷免疫特性。基于此原理开发的拓扑激光器、拓扑波导等器件已展现出优于传统器件的鲁棒性。然而，现有拓扑光子器件多聚焦于波导应用，在滤波功能开发方面仍存在关键挑战：拓扑边界态的宽带传输特性与滤波器所需的窄带选择特性存在本质矛盾；同时，如何将拓扑保护特性与角度不敏感特性有机结合仍缺乏有效解决方案。
技术实现思路
1、本发明提供了一种基于拓扑光子晶体的光学滤波器设计方法、设备及介质，其目的是解决传统光学滤波器在入射角变化时频谱响应不稳定的问题。
2、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种基于拓扑光子晶体的光学滤波器设计方法，包括如下步骤：
3、构造由超单元周期性排列的光子晶体平板，所述超单元包含拓扑非平凡单元与拓扑平凡单元，其中所述拓扑非平凡单元被拓扑平凡单元包围，所述拓扑非平凡单元和拓扑平凡单元均包含四个空气微孔，且两者的空气微孔位置分布不同；
4、基于二维扎克相位计算所述拓扑非平凡单元的拓扑不变量，确定所述拓扑非平凡单元的二维扎克相位；
5、根据所述拓扑非平凡单元的二维扎克相位，确定所述拓扑非平凡单元在超单元内的具体布置位置，以在每一超单元中，通过布置所述拓扑非平凡单元形成拓扑非平凡缺陷区域，通过相邻超单元中拓扑缺陷态的耦合，形成缺陷态能带结构；
6、基于缺陷态能带结构的能带平坦性要求，调节所述空气微孔的宽度，分析能带频率位置与能带平坦性的变化关系，筛选出使类横电模式能带在带隙附近呈现平坦要求的宽度值；
7、基于所述宽度值调整相邻拓扑非平凡缺陷之间的拓扑平凡单元行数或列数，根据能带色散特性变化确定缺陷态耦合强度的最优间距参数；
8、基于所述最优间距参数对所述光子晶体平板进行全波电磁仿真，通过入射面内不同入射角的平面波激励，获取归一化透射谱数据，验证共振波长随入射角的偏移量；
9、基于所述偏移量，迭代优化所述空气微孔宽度和拓扑非平凡缺陷间距参数，以确定所述超单元的结构参数；
10、根据所述结构参数输出所述光学滤波器的最终设计。
11、进一步的，每个超单元在x和y方向周期性排列的长度设定为晶格常数的两倍。
12、进一步的，确定所述拓扑非平凡单元的二维扎克相位的方法包括：
13、计算所述拓扑非平凡单元在第一布里渊区内的类横电模式能带结构；
14、获取所述能带结构中第一条基态能带在各波矢k点的本征态|ψk>；
15、根据所述本征态|ψk>计算贝利联络：
16、
17、其中，aα(k)为贝利联络，k＝(kx,ky)表示波矢，ψk表示本征态波函数，|ψk代表第一条基态能带的本征态，表示对波矢kα的偏导数，描述本征态随k的微小变化，i表示虚数单位，确保贝利联络的厄米性，α表示方向分量，x和y分别指代晶格方向；
18、对所述贝利联络在第一布里渊区进行取迹运算并积分，得到二维扎克相位，其中积分路径覆盖第一布里渊区全域：
19、
20、其中，θα为二维扎克相位，pα为极化强度分量，∫fbz为第一布里渊区积分，tr[aα(k)]为贝利联络的迹，tr表示对矩阵取迹，dk表示对第一布里渊区内的波矢进行积分；
21、当θα＝π时，判定所述拓扑非平凡单元在α方向具有非平凡拓扑特性；
22、根据x和y方向的扎克相位θx和θy的组合模式，确定所述拓扑非平凡单元的二维扎克相位，其中若相位组合模式满足θx＝π且θy＝π时，则判定所述拓扑非平凡单元处于拓扑非平凡相位。
23、进一步的，通过相邻超单元中拓扑缺陷态的耦合，形成缺陷态能带结构的方法包括：
24、基于所述拓扑非平凡单元的二维扎克相位，将所述拓扑非平凡单元作为缺陷嵌入超单元中，使其被拓扑平凡单元沿x和y方向间隔包围；
25、设置相邻超单元中拓扑非平凡缺陷之间的间隔为n行或n列拓扑平凡单元，通过调节n值控制缺陷态耦合强度；
26、当n＝1时，相邻缺陷态耦合形成包含至少一条平坦类横电模式能带的缺陷态能带结构，所述平坦类横电模式能带的频率位于光子晶体带隙范围内，且对应入射角不敏感的共振波长。
27、进一步的，筛选出使类横电模式能带在带隙附近呈现平坦要求的宽度值的方法包括：
28、设定初始空气微孔宽度值，并构建拓扑光子晶体单元结构；
29、在第一布里渊区内计算所述拓扑光子晶体单元结构的能带分布，提取带隙范围内的能带数据；
30、识别带隙附近由拓扑缺陷态形成的能带，提取类横电模式能带；
31、计算类横电模式能带在不同波矢值下的频率变化情况，评估能带的平坦性；
32、调整空气微孔宽度，并重复上述步骤，对比不同微孔宽度下的能带频率及平坦性变化趋势；
33、选择满足能带平坦性要求的空气微孔宽度值，使得类横电模式能带在带隙附近的频率色散最小。
34、进一步的，基于所述宽度值调整相邻拓扑非平凡缺陷之间的拓扑平凡单元行数或列数的方法包括：
35、采用确定的空气微孔宽度值，构建拓扑光子晶体平板结构；
36、设定初始拓扑非平凡缺陷之间的拓扑平凡单元行数或列数，计算超单元排列后的能带结构，并提取缺陷态形成的能带；
37、计算类横电模式能带在不同波矢k值下的频率变化情况，评估其色散特性；
38、依次增加拓扑平凡单元的行数或列数，重复上述步骤，记录不同拓扑平凡单元行数或列数下缺陷态能带的频率位置和平坦性变化；
39、通过对比不同拓扑平凡单元行数或列数下的能带特性，确定能够保持类横电模式能带平坦性并优化缺陷态耦合强度的最优拓扑平凡单元行数或列数。
40、进一步的，对所述光子晶体平板进行全波电磁仿真的方法包括：
41、在计算域内构建基于拓扑光子晶体的光学滤波器模型，并设定周期性边界条件；
42、采用时域有限差分法对所述光子晶体平板的电磁场分布进行离散计算，并定义计算网格；
43、在平板结构上方设定入射面内不同入射角的平面波激励源，并在下方放置远场能量监视器以记录透射信号；
44、计算不同入射角条件下的归一化透射谱，并提取缺陷态共振波长对应的透射率数据；
45、计算透射率随入射角变化的偏移量，并基于该偏移量优化超单元的结构参数。
46、进一步的，基于归一化透射谱数据验证共振波长随入射角的偏移量的方法包括：
47、设定入射角的变化范围，并采样多个不同入射角条件进行全波电磁仿真；
48、在每个入射角条件下，计算归一化透射谱，提取共振波长对应的透射谷位置；
49、记录所有入射角条件下的共振波长，并绘制共振波长随入射角变化的曲线；
50、计算入射角范围内共振波长的最大偏移量，并对比目标角度不敏感滤波特性的设定阈值；
51、若最大偏移量超过设定阈值，则调整空气微孔宽度或拓扑非平凡缺陷间距参数，并重复上述步骤，直至满足角度不敏感要求。
52、为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行所述基于拓扑光子晶体的光学滤波器设计方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
53、为实现上述目的，本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行所述基于拓扑光子晶体的光学滤波器设计方法的步骤。
54、本发明的有益效果：
55、与现有技术相比，本发明提供的一种基于拓扑光子晶体的光学滤波器设计方法、设备及介质，通过精确设计拓扑缺陷态、优化拓扑非平凡单元与拓扑平凡单元的周期性排列、调控空气微孔的结构参数及缺陷态耦合强度，实现了对特定波长的高效滤波，并确保了滤波器在不同入射角条件下的稳定性。本方法利用拓扑光子晶体的拓扑保护特性，使得缺陷态能带在带隙范围内保持高度平坦，从而确保了共振波长对入射角变化的敏感性极低，克服了传统滤波器因结构扰动或角度变化而导致的滤波性能下降问题。此外，本方法结合了二维扎克相位计算、全波电磁仿真分析和参数优化迭代，成功实现了滤波器的高光谱选择性、低能耗和高集成度，为光通信、光传感和高精度光谱分析提供了一种全新的高效光学滤波解决方案。相比于现有技术，本方法显著提升了滤波器的角度不敏感特性和抗干扰能力，使其能够在复杂环境中稳定运行，推动了高效光子集成系统的发展。