[发明专利]实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导

说明书

本发明提供了实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导，上半部分由多层具有拓扑平庸性质的晶胞的排列而成，下半部分由多层具有非平庸拓扑性质的晶胞排列而成；拓扑平庸性质的晶胞、拓扑非平庸性质的晶胞均由截面为椭圆形的介质柱呈C₆对称的方式排列构成。本发明的光子晶体光波导由椭圆介质柱构建，由于椭圆介质柱的排列方式，在平庸与非平庸晶体的交界处形成能够引导光子自旋传播的路径，减少了散射到光子晶体内部的光，提高了波导的传输效率，大大加强了波导结构的光子局域性，抑制背向散射，实现鲁棒性好的单向拓扑传输。

技术领域

本发明涉及一种光子晶体技术领域，特别涉及一种实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导。

背景技术

拓扑光子晶体可以实现量子自旋霍尔效应，得到稳定的边界模式以及光子赝自旋机制，已经成为当前研究领域的一个热点问题。利用光子晶体结构中光与物质的相互作用，设计出性能优越的光波导器件，为非互易滤波器、光开关等应用提供了新的方向。

由于类石墨烯结构的蜂窝状光子晶体在一定程度变形的前提下，可以在第一布里渊区Г点附近打开非平庸光子带隙，同时实现拓扑光子晶体能带反转，光子带隙的出现意味着该频率范围内的光无法在光子晶体结构内传输，当利用平庸与非平庸光子晶体界面引入缺陷结构时，光子带隙中会出现允许光传输的缺陷模式。在界面处放置携带轨道角动量的点源时，会激励单向涡流状翻转传输的光流。传统基于拓扑边界态构建的光波导结构光子自旋不易控制，部分光散射到光子晶体内部，导致结构光子局域性不强，降低了传输效率。

综上所述，面对当前光通信领域集成化、智能化、高效化的需求下，设计一款传输效率高、光子局域性强、单向性好的光波导光子晶体结构显得尤为迫切。

发明内容

本发明基于蜂窝状光子晶体Dirac锥的分离及赝自旋模式的反转，设计了一种光子晶体光波导结构，以克服传统波导光子局域性弱、传输效率低等问题。

本发明所述的实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导，其特征在于，由两个部分组成，上半部分由多层具有拓扑平庸性质的晶胞的排列而成，下半部分由多层具有拓扑非平庸性质的晶胞排列而成；

所述拓扑平庸性质的晶胞、拓扑非平庸性质的晶胞均由截面为椭圆形的介质柱呈C₆对称的方式排列构成，晶胞的二维截面为正六边形，所述介质柱截面的短轴与晶胞边界平行，相邻两个晶胞共用一条边；所述相邻两个晶胞中心的距离为晶格常数a，晶胞中心到介质柱中心的距离R，拓扑平庸性质的晶胞满足a/R＞3，所述拓扑非平庸性质的晶胞满足a/R＜3。

上述方案中，所述介质柱采用的材料是普通硅材料。

上述方案中，所述椭圆形介质柱的横截面的长轴为m＝0.15a，短轴为n＝0.12a，晶格常数a＝1μm。

上述方案中，所述上半部分由3层拓扑平庸性质的晶胞排列构成，下半部分由3层拓扑非平庸性质的晶胞构建排列构成。

上述方案中，所述光波导中激励源为携带正轨道角动量的点源，激励源放置在平庸与非平庸光子晶体的边界上。

与传统光波导相比，本发明具有以下有益效果：