基于拓扑光子晶体的平板结构及红外传感器

1.本发明属于一种光电技术领域，具体是涉及到一种基于拓扑光子晶体的平板结构及红外传感器。


背景技术：

2.光子晶体通过引入周期性介电常数来模仿固体中原子带来的周期性电势，从而引入光子能带的概念。通过光子禁带，光子晶体能够构建波导与微腔结构，实现光在微尺度下的传输与局域，并能够应用于片上集成光路与器件之中。
3.随着拓扑光子系统的集成度不断增加，拓扑波导(微腔)之间的间距会不可避免地被缩小，这将导致光学拓扑态之间通过倏逝场的方式发生模场耦合，从而改变拓扑态的一些物理特性。并且基于光子晶体拓扑态的相关工作大多聚焦于实现片上光器件应用，即从平面内实现光波导模式的引入、传输与处理。在相关技术领域中，由于拓扑光子晶体的排列方式不同，导致拓扑光子晶体组成的平板结构对环境折射率的变化不敏感，从而导致拓扑光子晶体的适用范围减小。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种基于拓扑光子晶体的平板结构及红外传感器，以解决现有技术中存在的对拓扑光子晶体的对环境折射率的变化不敏感的技术问题。
5.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：提供一种基于拓扑光子晶体的平板结构，包括：
6.多个超单元，多个所述超单元沿第一方向和第二方向阵列排布，并形成矩阵；所述超单元包括拓扑非平凡结构和拓扑平凡结构，所述拓扑平凡结构围设于所述拓扑非平凡结构的外周侧；所述拓扑非平凡结构包括多个拓扑非平凡单元，多个所述拓扑非平凡单元沿第一方向和第二方向阵列排布，并形成矩阵；所述拓扑平凡结构包括多个拓扑平凡单元，多个所述拓扑平凡单元形成矩阵。
7.可选地，所述拓扑非平凡单元的数量设置为九个，所述拓扑平凡单元的数量设置为十六个。
8.可选地，多个所述拓扑非平凡单元形成的矩阵设置为正方形；多个所述拓扑平凡单元形成的矩阵设置为正方形。
9.可选地，每四个所述拓扑非平凡单元围合形成有第一空气孔；各所述拓扑平凡单元开设有第二空气孔。
10.可选地，所述拓扑非平凡单元包括第一主体和第二主体，所述第二主体固定连接于所述第一主体，所述第一主体和所述第二主体交叉分布，并形成有四个槽体；其中，每相邻的四个所述槽体围合形成所述第一空气孔。
11.可选地，所述第一空气孔和所述第二空气孔垂直于第三方向的截面设置为正方形或圆形。
12.可选地，所述第一空气孔和所述第二空气孔垂直于第三方向的截面边长为1.37微米-1.39微米；所述第一空气孔和所述第二空气孔垂直于第三方向的截面直径为1.37微米-1.39微米。
13.可选地，所述拓扑非平凡单元的晶格常数和所述拓扑平凡单元的晶格常数均为2.03微米。
14.可选地，所述拓扑非平凡单元沿第三方向的厚度和所述拓扑平凡单元沿第三方向的厚度均为4.2微米-4.3微米。
15.本技术实施例还提供一种红外传感器，包括所述平板结构和传感器本体，所述平板结构设于所述传感器本体。
16.本技术提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的有益效果在于：
17.本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构，利用不同的光子晶体单元构型以使超单元具有拓扑非平凡单元和拓扑平凡单元，再通过排列超单元，以使每个超单元为一个二阶拓扑绝缘体，支持拓扑拐角态，周期性排列使得拓扑拐角态相互耦合，能够在第一方向和第二方向所形成的平面内无限延展。其中，拓扑拐角态能够与空气发生的相互作用，因此拓扑拐角态的共振特性对环境折射率敏感。
18.本技术提供的红外传感器的有益效果在于：
19.本技术实施例提供的红外传感器，利用拓扑拐角态对环境折射率敏感的特性，相较于其他类型的光子传感器，具有高灵敏度等优势。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的立体图；
22.图2为本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的第一数据图；
23.图3为本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的第二数据图；
24.图4为本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的第三数据图；
25.图5为本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的第四数据图；
26.图6为本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的拓扑平凡单元平面图；
27.图7为本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的拓扑非平凡单元平面图；
28.图8为本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构的第五数据图。
29.其中，图中各附图标记：
30.1、超单元；11、拓扑非平凡结构；111、拓扑非平凡单元；1111、第一主体；1112、第二主体；1113、槽体；112、第一空气孔；12、拓扑平凡结构；121、拓扑平凡单元；122、第二空气孔。
具体实施方式
31.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
32.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
33.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.基于此，本发明提供了一种基于拓扑光子晶体的平板结构及红外传感器，该平板结构具有高灵敏度等优良性能。
36.如图1至图7所示，本技术实施例提供了一种基于拓扑光子晶体的平板结构，包括多个超单元1，多个超单元1沿第一方向和第二方向阵列排布，并形成矩阵；超单元1包括拓扑非平凡结构11和拓扑平凡结构12，拓扑平凡结构12围设于拓扑非平凡结构11的外周侧；拓扑非平凡结构11包括多个拓扑非平凡单元111，多个拓扑非平凡单元111沿第一方向和第二方向阵列排布，并形成矩阵；拓扑平凡结构12包括多个拓扑平凡单元121，多个拓扑平凡单元121形成矩阵。
37.在此需要进行说明的是，以上和以下的第一方向指的是沿其轴向的双向方向，具体如图1中所示的x方向。以上和以下的第二方向指的是沿其轴向的双向方向，具体如图1中所示的y方向。
38.在此还需要进行说明的是，根据拓扑不变量二维扎克相位，也即根据公式：
[0039][0040]
其中，p＝(p
x
,py)代表二维极化强度，k＝(k
x
,ky)代表波矢，代表贝利联络，|ψk》代表第一条基态能带的本征态。tr[a]是数学概念符号，即为目标矩阵a进行取迹运算；dk是积分运算的一部分，代表对第一布里渊区内的波矢进行积分。
[0041]
如图2所示，积分在第一布里渊区(fbz)进行。当扎克相位的值为(0,0)时，代表着系统处于拓扑平凡相位。当扎克相位的值为(π,π)时，代表着系统处于拓扑非平凡相位。计算二维扎克扎克相位，首先要计算光子晶体单元在第一布里渊区的能带结构。每个能带的每个k点处对应着一个本征态，其电磁场分布包含了这个本征态的所有信息，可以带入上式进行计算。在这里只考虑光子晶体中的类横电(te-like)模式，拓扑平凡与非平凡的单元的能带结构如图2所示。基于基态能带，可以发现两种单元的基态能带结构是相同的，且在6.5
微米至7.74微米范围内存在基态带隙。通过上式可以计算得到拓扑平凡单元121与拓扑非平凡单元111分别具有(0,0)和(π,π)的不同相位值，即分别具有拓扑平凡和非平凡的相位，从而能够形成拓扑平凡区域和拓扑非平凡区域。拓扑平凡区域和拓扑非平凡区域能够构成一个经典的二维的二阶拓扑绝缘体。多个拓扑非平凡单元111按照3
×
3的方式排列构成正方形矩阵，多个拓扑非平凡单元111排列构成拓扑非平凡区域。多个拓扑平凡单元121包围在3
×
3的正方形矩阵外周侧，并形成新的正方形矩阵，多个拓扑平凡单元121排列构成拓扑平凡区域。本实施例中，拓扑非平凡区域和拓扑平凡区域构成了一个经典的二维的二阶拓扑绝缘体，其能够支持零维的拓扑态，即拓扑拐角态，也即超单元1。将此二阶拓扑绝缘体视为一个超单元1，并在平面内周期性排列，以构成了拓扑光子晶体的平板结构。相邻超单元1内的拓扑拐角态之间会发生相互耦合，使得他们的光场能够在平面内无限扩展；由于这些拐角态在γ点处(对应于光场垂直入射方向)处于光子晶体平板的光锥范围内，它们的模式会变得泄露，能够和外界电磁场发生相互耦合并被同时激发。如图3所示，采用时域有限差分法对结构进行了全波模拟，在平板结构上方引入了垂直入射的平面波来实现远场激励，在平板结构下方设置了一个能量监视器来计算归一化透射谱。通过仿真结果，观察到在无限扩展的平板结构上，拐角态的共振波长7.21微米处存在一个尖锐的透射谷，这即是光学共振的特征，其透射率为0.51。由于该结构具有c4旋转对称性，旋转平面波的偏振角φ不会改变其共振波长。不同偏振角下超单元1在共振波长处的磁场z分量分布图如图3的内插图所示。结果表明，两种拐角态在φ＝135
°
和φ＝45
°
被分别激发；更进一步地，当φ＝90
°
,磁场集中在四个拐角处，显示出两种拐角态的叠加态。而拐角态和平板体态之间的干涉导致了透射谱呈现法诺线形(一种非对称线形，这是经典的法诺线形。法诺线形是连续态散射振幅与离散态散射振幅之间的干涉产生的一种非对称的线形，而在本结构中，平板体态与拐角态分别扮演着连续态与离散态的角色。法诺线形的非对称特征使得其发生轻微的漂移就能够引起一定波长范围内的透射率发生较大变化，有利于提高传感效果)，透射谱的这种线形可以由以下法诺公式进行理论拟合：
[0042][0043]
式中，a1、a2和b为拟合常数，ω0为共振频率，γ为共振衰减率，i是虚数单位，ω是待拟合频率，t
fano
则是拟合得到的透射率。品质因子可以根据关系式得到，关系式如下所示：
[0044]
q＝ω0/2γ
[0045]
通过拟合法诺公式，得到该态的品质因子为3022。在此需要进行说明的是，该数值越高，代表着拐角态能够将光束缚在平板内的时间越长，那么拐角态与周围环境的相互作用时间就越长，就会对周围环境的改变越敏感，有利于提高传感灵敏度。
[0046]
如图4所示，从超单元1的光场分布图可以看到，拐角态的共振电磁场主要分布于微孔内部，因此能够与微孔与平板周围的环境发生充分的相互作用，其特性也会对环境的折射率变化非常敏感。因此，我们考察了在不同环境折射率下(从1变化到1.1)的归一化透射谱的变化，如图4所示。可以看到，拐角态所导致的共振透射谷随着环境折射率的增加发生显著的漂移，说明环境折射率的增加了拐角态的共振波长。因此，通过考察透射谱的漂
移，便可以实现对环境折射率的传感功能。传感灵敏度s如下定义：
[0047][0048]
即s定义为每单位环境折射率变化所导致的共振波长位移。共振波长随着环境折射率的变化如图5所示。在环境折射率1、1.025、1.05、1.075和1.1下，共振波长分别为7.21微米、7.23微米、7.25微米、7.27微米和7.29微米，与环境折射率的变化呈线性关系，因此拟合直线的斜率即为传感灵敏度。经计算，本结构的传感灵敏度为800纳米/单位折射率，即800nm/riu，具有较高的传感灵敏度。
[0049]
本技术实施例提供的基于拓扑光子晶体的平板结构，利用不同的光子晶体单元构型以使超单元1具有拓扑非平凡单元111和拓扑平凡单元121，再通过排列超单元1，以使每个超单元1为一个二阶拓扑绝缘体，支持拓扑拐角态，周期性排列使得拓扑拐角态相互耦合，能够在第一方向和第二方向所形成的平面内无限延展。其中，拓扑拐角态能够与空气发生的相互作用，因此拓扑拐角态的共振特性对环境折射率敏感。
[0050]
在本技术的一个实施例中，拓扑非平凡单元111的数量设置为九个，拓扑平凡单元121的数量设置为十六个。
[0051]
如此设置，能够保证该平板结构的传感灵敏度不低于800纳米/单位折射率。
[0052]
在本技术的一个实施例中，多个拓扑非平凡单元111形成的矩阵设置为正方形。多个拓扑平凡单元121形成的矩阵设置为正方形。
[0053]
如此设置，能够保证该平板结构的传感灵敏度不低于800纳米/单位折射率。
[0054]
在本技术的一个实施例中，每四个拓扑非平凡单元111围合形成有第一空气孔112。各拓扑平凡单元121开设有第二空气孔122。
[0055]
如此设置，能够使得拓扑拐角态的共振磁场分布于第一空气孔112和第二空气孔122内，从而使得第一空气孔112和第二空气孔122均能和外部环境相互作用。
[0056]
在本技术的一个实施例中，拓扑非平凡单元111包括第一主体1111和第二主体1112，第二主体1112固定连接于第一主体1111，第一主体1111和第二主体1112交叉分布，并形成有四个槽体1113；其中，每相邻的四个槽体1113围合形成第一空气孔112。
[0057]
在此需要进行说明的是，在本实施例中，是以第一主体1111沿第一方向延伸、第二主体1112沿第二方向延伸为例进行说明的。其中，第一主体1111和第二主体1112交叉分布指的是第一方向和第二方向相交并形成夹角，也即第一主体1111和第二主体1112相交并形成夹角。
[0058]
如此设置，通过第一主体1111和第二主体1112能够交叉构成拓扑非平凡单元111，并通过每相邻的四个槽体1113围合形成第一空气孔112。
[0059]
可选地，第一主体1111和第二主体1112均设置为硅平板。
[0060]
在本技术的一个实施例中，第一空气孔112和第二空气孔122垂直于第三方向的截面设置为正方形。
[0061]
在此需要进行说明的是，以上和以下的第三方向指的是沿其轴向的双向方向，即垂直于平板的方向，具体如图1中所示的z轴。
[0062]
在此还需要进行说明的是，本实施例是以第一空气孔112和第二空气孔122垂直于第三方向的截面设置为正方形为例进行说明的。当然，在其他实施例中，第一空气孔112和
第二空气孔122垂直于第三方向的截面还可设置为圆形。
[0063]
如此设置，第一空气孔112和第二空气孔122垂直于第三方向的截面设置为正方形或圆形，能够保证平板结构的传感灵敏度为800纳米/单位折射率。
[0064]
在本技术的一个实施例中，如图8所示，第一空气孔112和第二空气孔122垂直于第三方向的截面边长为1.37微米-1.39微米。第一空气孔112和第二空气孔122垂直于第三方向的截面直径为1.37微米-1.39微米。
[0065]
具体地，当第一空气孔112和第二空气孔122垂直于第三方向的截面边长设置为1.37微米时，不同折射率下共振波长分别为7.26、7.28、7.3、7.32、7.34um。当第一空气孔112和第二空气孔122垂直于第三方向的截面边长设置为1.39微米时，不同折射率下共振波长分别为7.18、7.2、7.22、7.24、7.26um。
[0066]
在本技术的一个实施例中，拓扑非平凡单元111的晶格常数和拓扑平凡单元121的晶格常数均为2.03微米。
[0067]
如此设置，能够保证共振波长在中红外波段内，可用于中红外传感。防止晶格常数设置为其他数值时导致共振波长偏离中红外范围从而丧失中红外传感功能。
[0068]
在本技术的一个实施例中，如图8所示，拓扑非平凡单元111沿第三方向的厚度和拓扑平凡单元121沿第三方向的厚度均为4.2微米-4.3微米。
[0069]
如此设置，当拓扑非平凡单元111沿第三方向的厚度和拓扑平凡单元121沿第三方向的厚度均设置为4.2微米时，不同折射率下共振波长分别为7.2、7.22、7.24、7.26、7.28um。当拓扑非平凡单元111沿第三方向的厚度和拓扑平凡单元121沿第三方向的厚度均设置为4.3微米时，不同折射率下共振波长分别为7.23、7.25、7.27、7.29、7.31um。
[0070]
可选地，平板的介电常数为12，并设置为非色散。
[0071]
本技术实施例还提供一种红外传感器，包括平板结构和传感器本体，平板结构设于传感器本体。
[0072]
在此需要进行说明的是，传感器本体为中红外折射率传感器。
[0073]
本技术实施例提供的红外传感器，利用拓扑拐角态对环境折射率敏感的特性，相较于其他类型的光子传感器，具有高灵敏度等优势。
[0074]
本技术中一个或多个实施例旨在涵盖落入本技术的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，包括：多个超单元，多个所述超单元沿第一方向和第二方向阵列排布，并形成矩阵；所述超单元包括拓扑非平凡结构和拓扑平凡结构，所述拓扑平凡结构围设于所述拓扑非平凡结构的外周侧；所述拓扑非平凡结构包括多个拓扑非平凡单元，多个所述拓扑非平凡单元沿第一方向和第二方向阵列排布，并形成矩阵；所述拓扑平凡结构包括多个拓扑平凡单元，多个所述拓扑平凡单元形成矩阵。2.如权利要求1所述的基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，所述拓扑非平凡单元的数量设置为九个，所述拓扑平凡单元的数量设置为十六个。3.如权利要求1所述的基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，多个所述拓扑非平凡单元形成的矩阵设置为正方形；多个所述拓扑平凡单元形成的矩阵设置为正方形。4.如权利要求1所述的基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，每四个所述拓扑非平凡单元围合形成有第一空气孔；各所述拓扑平凡单元开设有第二空气孔。5.如权利要求4所述的基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，所述拓扑非平凡单元包括第一主体和第二主体，所述第二主体固定连接于所述第一主体，所述第一主体和所述第二主体交叉分布，并形成有四个槽体；其中，每相邻的四个所述槽体围合形成所述第一空气孔。6.如权利要求4所述的基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，所述第一空气孔和所述第二空气孔垂直于第三方向的截面设置为正方形或圆形。7.如权利要求4-6任一项所述的基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，所述第一空气孔和所述第二空气孔垂直于第三方向的截面边长为1.37微米-1.39微米；所述第一空气孔和所述第二空气孔垂直于第三方向的截面直径为1.37微米-1.39微米。8.如权利要求1-6任一项所述的基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，所述拓扑非平凡单元的晶格常数和所述拓扑平凡单元的晶格常数均为2.03微米。9.如权利要求1-6任一项所述的基于拓扑光子晶体的平板结构，其特征在于，所述拓扑非平凡单元沿第三方向的厚度和所述拓扑平凡单元沿第三方向的厚度均为4.2微米-4.3微米。10.一种红外传感器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的平板结构和传感器本体，所述平板结构设于所述传感器本体。

技术总结
本申请提供了一种基于拓扑光子晶体的平板结构，包括多个超单元，多个超单元沿第一方向和第二方向阵列排布，并形成矩阵；超单元包括拓扑非平凡结构和拓扑平凡结构，拓扑平凡结构围设于拓扑非平凡结构的外周侧；拓扑非平凡结构包括多个拓扑非平凡单元，多个拓扑非平凡单元沿第一方向和第二方向阵列排布，并形成矩阵；拓扑平凡结构包括多个拓扑平凡单元，多个拓扑平凡单元形成矩阵。本申请还提供了一种红外传感器，包括平板结构和传感器本体，平板结构设于传感器本体。本申请提供的基于拓扑光子晶体的平板结构，拓扑拐角态能够与空气发生的相互作用，因此拓扑拐角态的共振特性对环境折射率敏感。射率敏感。射率敏感。


技术研发人员：张兆健 杨俊波 陈欢 张振福 杜特 姜鑫鹏
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/25