[发明专利]基于三角晶格谷光子晶体的双带宽谷霍尔偏振扭态波导

说明书

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。

技术领域

本发明涉及拓扑光子学、量子通信及集成光子器件、集成光路设计的技术领域，具体涉及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。

背景技术

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。

2016年，美国The University of Texasat Austin的TzuhsuanMa andGennadyShvets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。

2017年，国内中山大学的董建文教授提出在电磁场TM模式(Transverse Magneticmodes)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:Orbitalangular 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 valleytransport)。

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 PhotonicTopological 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(Terahertztopological photonics for on-chip communication)。

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。

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