[发明专利]一种具有拓扑保护的光波导器件、分束器及波分器

说明书

本发明提供了一种具有拓扑保护性质的光波导器件、分束器及波分器，在拓扑平庸光子晶体结构的中间一排晶胞中，去掉每个晶胞的中间两个介质柱构建一个线缺陷结构。基于该线缺陷结构构建一个树型传输通道。本发明由拓扑平庸光子晶体构建的Y型光波导器件，通过调节输入通道和输出通道中的保留介质柱半径大小可实现拓扑分束器和波分器的功能，所述拓扑分束器在工作频率范围0.4536～0.4717(2πc/a)内能实现高于80％以上的传输效率。所述拓扑波分器可将工作频率范围0.4536～0.4717(2πc/a)分为0.4536～0.4623(2πc/a)和0.4623～0.4717(2πc/a)两段频率范围，实现两段范围内的电磁波从不同的输出通道传输，且每个输出通道的传输效率均高达90％以上。本发明所述的拓扑光波导器件具有良好的单向性，稳定性和高效性。

技术领域

本发明涉及拓扑光子晶体应用领域，特别涉及一种利用拓扑光子晶体实现的具有拓扑保护的光波导器件、分束器及波分器。

背景技术

光子晶体因其具有光子禁带和光子局域两大特性，受到研究人员高度重视，利用两大特性实现的光子晶体波导，已被广泛地应用在光通信器件中，如光子晶体分束器和波分器，但是基于这种光子晶体波导构建的光波导器件有一个不足的地方，就是不具有单向性，光波导器件的缺陷会引起背向散射，因此它的总传输效率会因为反向传输而变得很低。自从电子系统中拓扑绝缘体被引入光学领域，具有拓扑保护的光子晶体可以完美解决这个问题。首先发现的基于量子霍尔效应的磁光光子晶体，通过外加强磁场打破时间反演对称性，实现手性边界态，即单向电磁边界传输模式。该模式具有抑制背向散射的优点，应用在光波导器件中可以提高器件的传输效率，但若要实现单向传输模式需要磁性材料和外加强磁场，这大大提高了工艺制备的成本。然而，基于量子自旋霍尔效应的拓扑光子晶体，只需利用普通介质材料就可以实现抑制背向散射的单向传输，而不需要磁性材料和外加磁场，具有极大的应用前景。因此拓扑光子晶体的单向传输特性为研究人员设计性能更加优越的光波导器件提供了新颖的思路。

具有蜂窝晶格的光子晶体晶胞在保证C₆对称性不变的前提下体进行压缩和扩张，得到具有两种不同拓扑性质的晶胞。利用一种拓扑性质的晶胞构建三角晶格周期性排列的结构，并且去除一行晶胞正中间的一排介质柱来构建线缺陷结构，而该结构具有受拓扑保护的单向传输模式。，而该结构具有受拓扑保护的单向传输模式。该模式的传输方向依赖于角动量自旋极化方向，当在界面处放置携带轨道角动量的谐振源时，会激励单向涡流状翻转传输的光流。因此利用拓扑光子晶体的单向传输特性，我们可以设计出单向并且稳定的光波导器件。

发明内容

针对普通光子晶体光波导器件的背向散射问题，本发明设计了一种具有拓扑保护的光波导器件、分束器和波分器，基于拓扑光子晶体构建的受拓扑保护的单向传输模式，可以解决传统分光波导器件背向散射和稳定性差的问题。

本发明所述光波导器件的模型，主要在多层排列的拓扑平庸光子晶体结构的中间一排晶胞中，去掉每个晶胞的中间两个介质柱，保留上下4个介质柱构建一个线缺陷结构，基于该线缺陷构建一个传输通道。

具有拓扑保护的光波导器件，其特征在于，主要由在多层排列的拓扑平庸光子晶体结构中构建树形传输通道，所述传输通道为位于传输通道中的残留晶胞构成，所述残留晶胞为仅保留位于传输通道边界线上的四个保留介质柱，多个依次排列的残留晶胞形成线缺陷结构；

所述拓扑平庸光子晶体结构中的晶胞均由圆形的介质柱呈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，介质柱的半径大小为r，拓扑平庸性质的晶胞满足a/R＞3。

进一步地，所有的所述介质柱处在空气背景环境中，所述介质柱均采用普通硅材料制成。

进一步地，所述晶格常数a＝1μm，线缺陷结构宽度d＝1μm，拓扑光子晶体的圆形介质柱的半径r＝0.12μm，传输通道中的保留介质柱的半径为可调谐的。