拓扑光子晶体单向波导结构及光学器件的制作方法

1.本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种拓扑光子晶体单向波导结构及光学器件。


背景技术：

2.随着量子光通信的发展，微型集成的单向光传输器件越来越重要，它是用光子组成稳定逻辑门的器件基础。使用非线性光学晶体可以实现光的单向传输，但其非线性特性往往需要在较高的功率下才会显现。
3.光子晶体是一种人工周期性结构光学材料，随着光子晶体技术的发展，光子晶体因为尺寸小、损耗低，在微型集成光器件领域具有广泛的应用前景。已有研究表明，在两种拓扑不等价的光子晶体界面处存在受拓扑保护的手性边界态，利用它可实现光的单向传输。
4.拓扑光子态的性质稳定，可避免由制备工艺带来的结构缺陷，是制作微型集成单向光传输器件的不错选择。目前公开的拓扑光子晶体单向波导主要有两种：一种基于磁光光子晶体，因为受限于磁光晶体对电磁场的响应，它只能工作在ghz波段；另一种主要基于谷光子晶体的“自旋-动量”锁定特性，借助微纳加工技术，可工作在红外至可见光波段，但其结构大多比较复杂，对制作加工的工艺要求较高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种拓扑光子晶体单向波导结构及光学器件，以解决上述至少一个技术问题。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.第一方面，一种拓扑光子晶体单向波导结构，包括：
8.第一晶体单元，包括边缘形状相同的多个第一光子晶体；
9.第二晶体单元，包括边缘形状相同的多个第二光子晶体，所述第二光子晶体和所述第一光子晶体拓扑不等价；其中：
10.所述第一晶体单元和所述第二晶体单元之间被配置为携带轨道角动量的光可传输的界面。
11.在一些可选的实施例中，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均具有蜂窝结构的晶格，且所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的晶格常数相同。
12.在一些可选的实施例中，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均具有正六边形的边缘形状。
13.在一些可选的实施例中，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均包含：
14.介电柱，其横截面为等边三角形。
15.在一些可选的实施例中，每个所述第一光子晶体和所述第二光子晶体内均包含三个所述介电柱，且三个所述介电柱呈等边三角形排列。
可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
35.实施例一：
36.本实施例提供一种拓扑光子晶体单向波导结构，如图1所示，拓扑光子晶体单向波导结构包括第一晶体单元1和第二晶体单元2，第一晶体单元1和第二晶体单元2之间被配置为携带轨道角动量的光可传输的界面(图1中的横向虚线l)。
37.第一晶体单元1包括边缘形状相同的多个第一光子晶体11，第二晶体单元2包括边缘形状相同的多个第二光子晶体21.第二光子晶体21和第一光子晶体11拓扑不等价。
38.利用拓扑不等价的第一光子晶体11和第二光子晶体21，其光子态具有相反的相位涡旋，且相位涡旋的方向与传播方向锁定，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。
39.第一光子晶体11和第二光子晶体21均具有蜂窝结构的晶格，且第一光子晶体11和第二光子晶体21的晶格常数相同。
40.第一光子晶体11和第二光子晶体21均具有正六边形的边缘形状。
41.第一光子晶体11和第二光子晶体21均包含介电柱111，介电柱111的横截面为等边三角形。介电柱的介电常数为7.5。
42.需要说明的是，本实施例中，各介电柱111只为同一种介电材料，具有结构简单、制作工艺难度低的优点，更容易生产应用
43.每个第一光子晶体11和第二光子晶体21内均包含三个介电柱111，且三个介电柱11呈等边三角形排列。
44.第一晶体单元11内的三个介电柱111与第二晶体单元21内的三个介电柱111呈180
°
错位布置。本实施例中，第一光子晶体11和第二光子晶体21的晶格常数均为900nm，介电柱的边长为265nm，介电柱的中心与所在的第一光子晶体或第二光子晶体的几何中心距离为200nm。
45.采用数值方法计算第一光子晶体11(pc1)和第二光子晶体21(pc2)的能带图及其在k点的相位分布，其结果如图2所示。可以看出，第一光子晶体11和第二光子晶体21具有相似的能带结构但具有不同的拓扑属性。
46.具体表现在其k点光子态具有相反的相位涡旋。由于相位涡旋的方向与传播方向锁定，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。
47.如图3所示，当在拓扑光子晶体单向波导中放置携带轨道角动量的光源时，根据电场分布可知，波长999.2nm的光只能向右单向传输，几乎没有反向光。
48.如图4所示，拓扑光子晶体单向波导工作的中心波长为999.2nm，对应的隔离度为49db，隔离度大于30db的带宽为0.6nm。
49.实施例二：
50.本实施例的区别在于：本实施例中晶格常数a＝720nm，等边三角形介电柱边长为212nm，每个介电柱中心距光子晶体的距离均为160nm。
51.采用数值方法计算该拓扑光子晶体单向波导的单向传输谱，结果如图5所示。拓扑光子晶体单向波导工作的中心波长为799.4nm，对应的隔离度为48db，隔离度大于30db的带宽为0.4nm。
52.实施例三：
53.一种光学器件，包括实施例一或实施例二提供的拓扑光子晶体单向波导结构。
54.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。


技术特征：
1.一种拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，包括：第一晶体单元，包括边缘形状相同的多个第一光子晶体；第二晶体单元，包括边缘形状相同的多个第二光子晶体，所述第二光子晶体和所述第一光子晶体拓扑不等价；其中：所述第一晶体单元和所述第二晶体单元之间被配置为携带轨道角动量的光可传输的界面。2.根据权利要求1所述的拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均具有蜂窝结构的晶格，且所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的晶格常数相同。3.根据权利要求2所述的拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均具有正六边形的边缘形状。4.根据权利要求3所述的拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均包含：介电柱，其横截面为等边三角形。5.根据权利要求4所述的拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，每个所述第一光子晶体和所述第二光子晶体内均包含三个所述介电柱，且三个所述介电柱呈等边三角形排列。6.根据权利要求5所述的拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，所述第一晶体单元内的三个介电柱与所述第二晶体单元内的三个介电柱呈180
°
错位布置。7.根据权利要求6所述的拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，所述晶格常数为900nm，所述介电柱的边长为265nm，所述介电柱的中心与所在的所述第一光子晶体或所述第二光子晶体的几何中心距离为200nm。8.根据权利要求6所述的拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，所述晶格常数为720nm，所述介电柱的边长为212nm，所述介电柱的中心与所在的所述第一光子晶体或所述第二光子晶体的几何中心距离为160nm。9.根据权利要求5所述的拓扑光子晶体单向波导结构，其特征在于，所述介电柱的介电常数为7.5。10.一种光学器件，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的拓扑光子晶体单向波导结构。

技术总结
本发明属于光通信技术领域，公开了一种拓扑光子晶体单向波导结构及光学器件，拓扑光子晶体单向波导结构，包括：第一晶体单元，包括边缘形状相同的多个第一光子晶体；第二晶体单元，包括边缘形状相同的多个第二光子晶体，所述第二光子晶体和所述第一光子晶体拓扑不等价；其中：所述第一晶体单元和所述第二晶体单元之间被配置为携带轨道角动量的光可传输的界面。有益效果：利用两种拓扑不等价的光子晶体，其光子态具有相反的相位涡旋，且相位涡旋的方向与传播方向锁定，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。不受局域杂质或缺陷的干扰。不受局域杂质或缺陷的干扰。


技术研发人员：周志谋 胡金萌 李强 姜永亮 武春风 雷敏 刘厚康 李龙 夏哲
受保护的技术使用者：中国航天三江集团有限公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/18