[发明专利]基于液晶材料的能谷光子晶体结构及光子晶体波导结构

说明书

本发明公开了一种基于液晶材料的能谷光子晶体结构，由六边形晶胞呈阵列方式排列而成，以六边形晶胞的六条边的中点为顶点构造六角星，六角星内部的液晶分子始终平行于基板，六角星外部的六个平行四边形区域内的液晶分子按照间隔排列方式分为A、B两组，A、B两组液晶分子的排列状态均为独立可调的。本发明的晶体结构中只包含液晶材料，且液晶分子的排列状态可以通过电压或激光调控，拓扑非平庸态的出现只需调控液晶分子的折射率即可实现。将拓扑特性相反的两种晶胞结构堆叠并进行阵列排列可以构造具备不同边界态的光波导，包括直线型和分别带有60°、90°、120°弯角的波导，电磁场均被完美束缚在波导中，没有明显的背向散射和能量损耗。

技术领域

本发明属于光子晶体领域，特别涉及一种基于液晶材料的能谷光子晶体结构及光子晶体波导结构。

背景技术

近年来，拓扑光子晶体作为新型的光学功能材料，为充分控制光的行为提供了解决方案。受凝聚态中电子体系拓扑相与拓扑相变的启发，光子晶体中的能带系统也可引入拓扑的概念，从而产生一系列拓扑保护的光传输与局域效应，如拓扑激光、拓扑波导、拓扑光局域等效应，由于具有对杂质和缺陷免疫的特点受到广泛关注。

液晶是一种兼具液体的流动性和晶体各向异性的材料，液晶的物理性能(分子取向、折射率等)对光、电、热、磁等外场都有很强的敏感性。近年来液晶材料的各项性能也有了很大的提升，其中液晶材料的双折射率高达0.75。将液晶材料引入到光子晶体中，通过控制外场来控制液晶分子的相转变或分子取向，可以实现对光子晶体带隙的调节。目前，已经有团队提出将液晶材料作为拓扑结构的背景材料，通过改变液晶的折射率调控光子带隙位置；将液晶材料沿光传输方向螺旋排列，通过光的傍轴传输模拟了floquet效应，实现了拓扑光子晶体，但设计和实现较为复杂。

由于液晶材料可以调节的频率范围可以从可见光扩展到微波频段，是极具优势的宽谱材料，在光子晶体领域有很大的应用潜力。但现有技术中，基于液晶材料的拓扑光子晶体仅仅只是调整背景折射率，没有将液晶材料作为拓扑相变材料，限制了液晶的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种晶体结构中只包含液晶材料，且液晶分子的排列状态可以通过电压或激光调控，拓扑非平庸态的出现只需调控液晶分子的折射率即可实现的基于液晶材料的能谷光子晶体结构，并提供一种由能谷光子晶体结构组成的光子晶体波导结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于液晶材料的能谷光子晶体结构，其特征在于，由六边形晶胞呈阵列方式排列而成，每个晶胞中的液晶分子包含平行于基板和垂直于基板两种状态；

以六边形晶胞的六条边的中点为顶点构造六角星，六角星内部的液晶分子始终平行于基板，六角星外部的六个平行四边形区域内的液晶分子按照间隔排列方式分为A、B两组，A、B两组液晶分子的排列状态均为独立可调的。通过调节A、B组液晶分子状态不一致，破缺六方晶格的空间对称性，实现拓扑相变；当A组液晶分子平行于基板排列B组液晶分子垂直于基板排列，或A组液晶分子垂直于基板排列B组液晶分子平行于基板排列时，所构成的光子晶体结构的拓扑非平庸。

进一步地，所述液晶分子的双折射率为0.75；平行于基板的液晶分子的介电常数为2.465，垂直于基板的液晶分子的介电常数为5.38。

进一步地，所述六边形晶胞的基本结构单元的晶格常数a与信号中心频率相关：f₀∝2π*c/a，信号中心频率f₀越高，晶格常数a越小，c为真空中光速。

所述具有拓扑非平庸的光子晶体结构的光子带隙为0.326*(2π*c/a)～0.346*(2π*c/a)，其中，c为真空中光速，a为晶格常数。

本发明的另一个目的是提供一种基于液晶材料的拓扑光子晶体波导结构，由两种上述的拓扑不平庸的光子晶体对称设置组成，两种光子晶体的交界面为电磁波的传输通道。