基于三角晶格谷光子晶体的双带宽谷霍尔偏振扭态波导 |
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| 申请号 | CN202211494901.1 | 申请日 | 2022-11-26 | 公开(公告)号 | CN115826136B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 天津大学; | 发明人 | 姚建铨; 何柳; 张雅婷; 任群; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出了一种基于三 角 晶格谷 光子 晶体的双带宽谷霍尔偏振扭态 波导 ，用以解决传统波导传输反射损耗大，工作带宽窄、单一工作带宽的技术问题。本发明包括谷陈数1的三角晶格谷光子晶体和谷陈数‑1的三角晶格谷光子晶体，谷陈数1的三角晶格谷光子晶体所构成的区域为第一区域，谷陈数‑1的三角晶格谷光子晶体所构成的区域为第二区域，第一区域和第二区域的连接处构成锯齿型界面，锯齿型界面上设有 光源 。本发明可以实现大带宽、大容量、高效能的波导传输，构建更加简单，研发成本低，且具有双通道带宽，可用于实现多能带、集成化、可调控的微纳波导器件设计，可满足不断高度集成化光子芯片的要求及波分复用变频的通信需求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于三角晶格谷光子晶体的双带宽谷霍尔偏振扭态波导，其特征在于，包括谷陈数1的三角晶格谷光子晶体(1)和谷陈数‑1三角晶格谷光子晶体(2)，谷陈数1的三角晶格谷光子晶体(1)所构成的区域为第一区域(3)，谷陈数‑1的的三角晶格谷光子晶体(2)所构成的区域为第二区域(4)，第一区域(3)和第二区域(4)的连接处构成锯齿型界面(5)，锯齿型界面(5)上放置光源(13)。 |
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| 说明书全文 | 基于三角晶格谷光子晶体的双带宽谷霍尔偏振扭态波导技术领域背景技术[0002] 基于全电介质拓扑谷光子晶体波导光子器件在拓扑光子学、量子通信及集成光子光路领域有着举足轻重的应用前景。目前，随着6G时代的到来，对光电通信系统的要求越来越高，尤其是全光网络通信。集成光子光路不断向大容量、高效率、微型化的方向发展，因此，低成本、高效率、多功能的微型光器件被不断研究和开发。 [0003] 2016年，美国The University of Texasat Austin的TzuhsuanMa and GennadyShvets教授提出用全硅类石墨烯晶格的拓扑谷光子晶体构建了一种谷霍尔态(All‑Si valley‑Hall photonic topological insulator)。该谷霍尔态是在电磁波TE模式(Transverse Electric modes)激励下实现的。 [0004] 2017年，国内中山大学的董建文教授提出在电磁场TM模式(Transverse Magnetic modes)模激励下用全硅棒类石墨烯晶格拓扑谷光子晶体构建了一种谷霍尔偏振扭态(Valley‑contrasting physics in all‑dielectric photonic crystals:Orbital angular momentum and topological propagation)。该谷霍尔偏振扭态在两个空间对称性破缺的谷光子晶体界面产生，且这种扭态波导受手性源的偏振方向决定。2019年，董建文教授在实验上用硅基底板构建了这种谷光子晶体结构，在不同谷陈数谷光子晶体边界观察到这种特殊的谷霍尔偏振扭态(Asilicon‑on insulator slab for topological valley transport)。 [0005] 2019年，浙江大学杨怡豪教授提出用全电介质(相对介电常数3.2)类石墨烯晶格的拓扑谷光子晶体构建了一种双带宽谷霍尔偏振扭态波导，实验观察并证实这种波导的存在，相关工作发表在国际顶级期刊Advance Optical Material上(Valley‑Hall Photonic Topological Insulators with Dual‑Band Kink States))。在2020年，杨怡豪教授在实验上构建了全硅谷光子晶体芯片，是世界上首次实现并观察到这种谷霍尔扭态波导在太赫兹波段的高效通信，该工作发表在世界顶级期刊Nature Photonics上(Terahertz topological photonics for on‑chip communication)。 [0006] 这种谷霍尔偏振扭态波导不仅具有鲁棒性、缺陷免疫、抗背向散射等突出传播特性，而且其工作带宽由拓扑谷光子晶体空间对称性的破缺程度决定。谷光子态对光场具有双重自由度(a binary degree of freedom)的调控作用，因此这种谷霍尔态被看成集成光子通信领域中最好的信息携带者。 [0007] 近些年，谷霍尔态作为一种新型的信息载体被应用于各种微纳波导光子器件中，比如，波导分束器、波导延时、波分复用及多通道通信、谷霍尔态的量子纠缠通信。 发明内容[0008] 针对传统波导传输反射损耗大，工作带宽窄的技术问题，本发明提出一种基于三角晶格谷光子晶体的双带宽谷霍尔偏振扭态波导，可以实现大带宽、大容量、高效能的波导传输，与现有类石墨烯拓扑谷光子晶体实现的微纳光波导器件相比，构建更加简单，研发成本低，且具有双通道带宽，可满足不断高度集成化光子芯片的要求及波分复用变频的通信需求。 [0009] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于三角晶格谷光子晶体的双带宽谷霍尔偏振扭态波导，包括谷陈数1的三角晶格谷光子晶体和谷陈数‑1三角晶格谷光子晶体，谷陈数1的三角晶格谷光子晶体所构成的区域为第一区域，谷陈数‑1的的三角晶格谷光子晶体所构成的区域为第二区域，第一区域和第二区域的连接处构成锯齿型界面，锯齿型界面上放置光源。 [0010] 优选地，所述光源为手性偏振源，手性偏振源放置在锯齿型界面上。 [0011] 优选地，所述手性偏振源包括4根垂直于z轴的天线，天线上添加线性偏振源，相邻线性偏振源的相位以π/2递增或递减。 [0012] 优选地，4根天线按照正方形排列，正方形的边长是0.2a，其中，a为晶格单元的晶格常数。 [0013] 优选地，所述谷陈数1的三角晶格谷光子晶体和谷陈数‑1的三角晶格谷光子晶体的介质柱为全电介质的圆柱状硅棒，圆柱状硅棒的直径 介电常数为11.7，谷陈数1的三角晶格谷光子晶体和谷陈数‑1的三角晶格谷光子晶体的背景均是空气；其中，a为晶格单元的晶格常数。 [0014] 优选地，波导态产生于不同谷陈数的谷光子晶体的界面处，且锯齿型界面为石墨烯晶格排列中的锯齿形。 [0015] 优选地，所述谷陈数1的三角晶格谷光子晶体和谷陈数‑1的的三角晶格谷光子晶体的蜂窝状晶格原胞结构中正六边形边长为L。 [0016] 优选地，所述谷陈数1的三角晶格谷光子晶体的蜂窝状晶格原胞结构I旋转60°与谷陈数‑1的的三角晶格谷光子晶体的蜂窝状晶格原胞结构II完全重合；所述蜂窝状晶格原胞结构I和蜂窝状晶格原胞结构II都满足C3v空间旋转对称性。 [0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果：基于全电介质的圆柱状硅棒构建三角晶格谷光子晶体，基于三角晶体谷光子晶体的C3v空间旋转对称性被打破，形成了两种不同谷陈数的三角晶格谷光子晶体；在不同谷陈数的谷光子晶体相邻区域形成了锯齿型界面，在手性偏振源的激励下产于生锯齿型边界上。本发明成功地设计出一款双带宽、大带宽、鲁棒性的双带宽谷霍尔偏振扭态波导，可用于实现多能带、集成化、可调控的微纳波导器件设计，用于集成光路中实现波分复用及多通道通信。附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0019] 图1为本发明的整体结构示意图。 [0021] 图3中(a)为本发明中部分结构示意图，虚线矩形表示结构超胞；(b)为本发明中沿Kx方向上投影能带图，右边表示在谷K点所对应的电场本征模式与波印廷矢量分布。 [0022] 图4为本发明的双带宽谷霍尔偏振扭态波导的结构示意图以及对应的电场强度分布图，其中，(a)为直线型锯齿型界面的结构示意图，(d)为(a)在频率0.28995THz的电场能量分布情况，(h)为(a)在频率0.54185THz的电场能量分布情况；(b)为验证鲁棒性的结构示意图，(e)为(b)在频率0.28995THz的电场能量分布情况，(i)为(b)在频率0.54185THz的电场能量分布情况；(c)为验证免疫缺陷的结构示意图，(f)为(c)在频率0.28995THz的电场能量分布情况，(j)为(c)在频率0.54185THz的电场能量分布情况. [0023] 图5为本发明的仿真结果，其中，(a)为本发明沿着y轴方向传输截面的归一化电场能量分布图；(b)为在低能带隙中传输光谱图；(c)为在高能带隙中传输光谱图。 [0024] 图中，1为谷陈数是1的三角晶格谷光子晶体，2为谷陈数是‑1的三角晶格谷光子晶体，3为谷陈数是1的三角晶格谷光子晶体构建的第一区域，4为谷陈数是‑1的三角晶格谷光子晶体构建的第二区域，5为锯齿形界面，6为蜂窝状晶格中正六边形边长，7为晶格单元的晶格常数，8为晶格单元原胞I，9为晶格单元原胞II，11为蜂窝状晶格原胞结构I，12为蜂窝状晶格原胞结构II，13为光源，14为天线，15为光源的放大结构，16、17为二维截线，18为结构超胞。 具体实施方式[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0026] 如图1所示，一种基于三角晶格谷光子晶体的双带宽谷霍尔偏振扭态波导，包括谷陈数是1的三角晶格谷光子晶体1和谷陈数是‑1的三角晶格谷光子晶体2，谷陈数是1的三角晶格谷光子晶体1所构成的区域为第一区域3，谷陈数是‑1的三角晶格谷光子晶体2所构成的区域为第二区域4，第一区域3和第二区域4的连接处构成锯齿型界面5，锯齿型界面5上设有光源13。两种不同谷陈数的三角晶格谷光子晶体区域，是由这两个不同谷陈数的三角谷光子晶体所对应构成，即一个区域中只有一种谷陈数的三角晶格谷光子晶体。锯齿型界面是由所两种不同谷陈数的三角晶格谷光子晶体区域所构成。波导态产生于不同谷陈数的谷光子晶体的界面处，且锯齿型界面5为石墨烯晶格排列中的锯齿形，源于石墨烯晶格排列中固有排列方式。本发明的结构设计的谷效应较弱，不仅可以出现双带宽，而且每个带宽都很大。 [0027] 所述谷陈数是1的三角晶格谷光子晶体1称Type‑A，谷陈数是‑1的三角晶格谷光子晶体2称Type‑B，谷陈数是分别对其能带的贝利相位在整个布里渊区积分所得到。三角晶格谷光子晶体是由蜂窝状晶格谷光子晶体演化而来，谷陈数是1的三角晶格谷光子晶体1和谷陈数是‑1的三角晶格谷光子晶体2的蜂窝状晶格中正六边形边长6为L。晶格单元的晶格常数7为a，取值为246um，目的是为了能获得低频段的太赫兹波段频率，在实验中可完全证实。 [0028] 所述谷陈数为1的三角晶格谷光子晶体1和谷陈数为‑1的三角晶格谷光子晶体2的介质柱为全电介质的圆柱状硅棒，圆柱状硅棒的直径 介电常数为11.7，谷陈数为1的三角晶格谷光子晶体1和谷陈数为‑1的三角晶格谷光子晶体2的背景均是空气；其中，a为晶格单元的晶格常数。谷陈数为1的三角晶格谷光子晶体1的晶格单元原胞I8(VPC‑A)其中的介质柱是由全电介质材料的单晶硅组成，相对介电常数为11.7，背景默认为空气，圆柱状硅棒的直径dA＝L。谷陈数为‑1的三角晶格谷光子晶体2的晶格单元原胞II9(VPC‑B)其中的介质柱是由全电介质材料的单晶硅组成，介电常数为11.7，圆柱状硅棒的直径dB＝L。 [0029] 谷陈数为1的三角晶格谷光子晶体1的蜂窝状晶格原胞结构I11旋转60°与谷陈数为‑1的三角晶格谷光子晶体2的蜂窝状晶格原胞结构II12完全重合；所述蜂窝状晶格原胞结构I11和蜂窝状晶格原胞结构II12都满足C3v空间旋转对称性。谷陈数为1的三角晶格谷光子晶体1的晶格单元原胞I8和谷陈数为‑1的三角晶格谷光子晶体2的晶格单元原胞II9中的介质柱关于中心对称。 [0030] 进一步地，所述光源13为手性偏振源，手性偏振源设置在锯齿型界面5上。15表示对手性源13的放大结构，所述手性偏振源包括4根垂直与z轴的天线14，天线14上添加线性偏振源，相邻线性偏振源的相位以π/2递增或递减，实现一个手性偏振光源。4根天线14按照正方形排列，完美对称，这样的手性偏振源为手性圆偏振，正方形的边长是0.2a，其中，a为晶格单元的晶格常数。 [0031] 16表示x＝10a处的二维截线，17表示x＝30a处的二维截线，用于测量波导沿着y轴方向上的归一化电场能量分布。18表示结构超胞，用于计算设计结构的在Kx方向上的投影能带。 [0032] 如图2所示，通过对谷陈数为1的三角晶格谷光子晶体1的晶格单元原胞I8在第一布里渊区的能带计算，在谷K和K’之间得到两条带宽0.28THz‑0.39THz和0.52THz‑0.66THz。在谷K’处，从上到下第一条能带的谷K’点谷锁定偏振自旋向上，第二条与第三条能带兼并却有弱的谷锁定偏振自旋向下态，第四条与第五条能带兼并也有弱的谷锁定偏振自旋向上态。在谷K处，所有的谷锁定偏振自旋态相反。如图2的右边12个晶格单元相位分布情况所示，表示电场的相位分布，是可以看出谷态的旋转偏振，其中在每条能带的每个K点处箭头表示自旋向上向下方向。 [0033] 如图3所示，图3中的(a)表示设计的部分结构示意图，其中虚线矩形表示结构超胞18，用于计算系统结构投影在Kx方向的体带隙结构。(b)表示通过超胞计算而得到的投影在Kx方向的体能带，阴影表示体模式能带，两条曲线表示边界模式的色散曲线。M1表示本征模式1，M2表示本征模式2。两条曲线是三角晶格谷光子晶体的谷霍尔偏振扭态波导的色散曲线，说明本发明发明是双带宽的。阴影是体态模式，不能进行波导的传输。右边矩形表示谷K处的边界本征模式电场分布(Ez和|Ez|)及对应的波印廷矢量，其中SM1、SM2分别表示本征模式1的波印廷矢量，本征模式2的波印廷矢量。我们知道色散曲线斜率表示群速度的大小及方向，因此可以得出两条能带且传播群速度的方向相反。从本 征模式的波印廷矢量的分布也可以看出，他们的能量流是相反的。 [0034] 如图4所示，(a)表示本设计的结构示意图，锯齿型界面5为直线，(d)和(h)表示基于结构设计得到双带宽谷霍尔偏振扭态波导的电场能量分布情况。说明本发明可以实现双带宽谷霍尔偏振扭态波导。(b)表示验证波导的鲁棒性结构示意图，锯齿型界面5为Ω‑type形状，有大弯曲，(e)和(i)表示在Ω‑type界面结构中双带宽谷霍尔偏振扭态波导的电场能量分布情况。说明本发明的双带宽谷霍尔偏振扭态波导具有鲁棒性，鲁棒性就是稳定性，因为一般的波导遇到弯曲界面就会反射，而这里的波导遇到弯曲不会有反射，可以稳定地单向传输。(c)表示验证波导免疫缺陷的结构示意图，其中圆圈中一个是介质柱混乱，一个是缺失一个介质柱，一个有金属棒。(f)和(j)在含有缺陷界面结构中双带宽谷霍尔偏振扭态波导的电场能量分布情况。其中五角星表示手性偏振源，箭头表示偏振方向。图4的(c)、(f)和(j)说明实现了本发明双带宽谷霍尔偏振扭态波导具有抵抗缺陷免疫的特性，即使界面被破坏，依然可以正常传输，没有因为存在缺陷而被破坏。 [0035] 如图5所示，(a)表示在不同带隙中沿y轴方向传输截面的归一化电场能量，(b)表示在低能带隙中传输光谱，(c)表示在高能带隙中传输光谱。图(a)是由二维截线16、17测量而得到双带宽谷霍尔偏振扭态波导在Y方向上的电场分布情况，gap1表示低带宽，gap2表示高带宽，line1表示二维截线16，line2表示二维截线17，它们距离有20个晶格常数。通过gap1中的line1、line2可以看出谷霍尔偏振扭态波导有一定的波导宽度，且他们基本重合，说明我们波导单向传输效率很高；通过gap2中的line1、line2可以看出谷霍尔偏振扭态波导类似脉冲，具有极强的高能量密度，且它们依然几乎重合，说明本申请的波导单向传输效率很高。图(b)，图(c)分别表示在低带宽、高带宽中的传输光谱，其中阴影部分表示工作带宽宽度。 |
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