基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器

1.本发明涉及拓扑光子学、波导光学及集成光子器件、集成光路设计等技术领域，尤其涉及一种基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波分复用分束器。


背景技术：

2.随着电子态的霍尔效应在凝聚态物理的蓬勃发展，随后科学家将电子态的霍尔效应延伸到光量子领域。量子霍尔效应的发现是光量子领域最突出的重大成果之一。量子霍尔效应光子态实为一种拓扑有序态，其内部不导光，外表可支持特殊表面波，且该表面波由于内禀拓扑特性，具有很强的鲁棒性，能够无反射地绕过无序等障碍物。量子霍尔效应光子有序态卓越的传输特性有希望为高度集成化芯片通信技术提供一个新的平台。
3.因此，相关领域的科学家们都在极力从不同维度、不同结构、不同材料研发量子霍尔效应光子有序态，主要有基于磁光效应的量子整数霍尔效应单向边界态、基于受时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应单向螺旋边界态、基于空间反演对称性破缺的量子谷霍尔效应单向边界扭态等，其中量子自旋霍尔效应的产生与研发更是备受关注。因为全电介质拓扑光子晶体制备简单，操控方便，因此基于拓扑光子晶体波导光子器件在拓扑光子学、非线性光子学及集成光子光路领域应用显得更加广泛。
4.在2015年，筑波大学胡晓教授等人提出用全电介质硅材料构建一种拓扑光子晶体，实现了基于量子自旋霍尔效应的单向螺旋边界态(scheme for achieving a topological photonic crystal by using dielectric material)。随后，国外诸多学者也提出类似结构，实现了拓扑光子晶体的单向螺旋边界态，如2016年，美国学者sabyasachi barik等人全电介质三角柱状拓扑光子晶体构建的单向螺旋边界态(two-dimensionally confined topological edge states in photonic crystals)，2018年，美国学者mikhail i shalaev等人提出改变折射率实现全电介质材料的单向螺旋边界态(reconfigurable topological photonic crystal)。这些都是由全电介质材料蜂窝状光子晶体构建，尽管能够实现这种单向螺旋边界态，但是在实际加工及应用中比较复杂，如在每个晶格中包含6个介质柱。
5.在国内，继胡晓教授的拓扑光子晶体结构提出一年时间内，即2016年苏州大学蒋建华教授提出一种三角晶体圆环柱状的拓扑光子晶体，可实现基于量子自旋霍尔效应的单向螺旋边界态(accidental degeneracy in photonic bands and topological phase transitions in two-dimensional core-shell dielectric photonic crystals)，三角晶格拓扑光子晶体在每个晶格中只有一个空心介质柱，结构简单，易于加工，因此备受关注。在2018年，蒋建华教授等人在实验室证实了“胡晓模型”(visualization of a unidirectional electromagnetic waveguide using topological photonic crystals made of dielectric materials)。该实验也说明，基于量子自旋霍尔效应单向螺旋边界态可以在实验室条件下证实并获得。基于“胡晓模型”的拓扑光子晶体以不同结构、不同材料、不同方法被诸多相关领域学者构建并提出，这也促进了拓扑光子学、光量子器件及通信领
域的高速发展。
6.在2022年，苏州大学杭志宏教授基于全电介质蜂窝状拓扑光子晶体构建一种“有限宽度”三明治结构，实现了一种可协调的光开关(observation and control of pseudospin switching in afinite-width topological photonic crystal)，提出拓扑光子晶体“有限宽度”可作为对光调控的自由度，为研究微纳光量子器件与光子波导传输提供一种理论依据。蜂窝状晶格复杂，三角晶格简单更有利于加工；“有限宽度”是一种可调控光波导的一种思想与方法，该发明将蜂窝状晶格和“有限宽度”结合起来，实现光子工作带宽移动，基于此构建一种波分复用波导结构。另外，杭志宏教授这篇文章将平庸拓扑结构作为“有限宽度”的中间层，可实现电磁波相干。
7.基于以上调研，本发明提出用全电介质三角晶格圆环柱拓扑光子晶体构建一种三明治结构，通过改变非平庸拓扑光子晶体中间层的“有限宽度”，以实现大宽度波导的波分复用分束器。


技术实现要素：

8.针对蜂窝状拓扑谷光子晶体构成的波导分束器结构复杂、带宽窄的技术问题，本发明提出一种基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，相对于其他波导分束器而言，具有结构简单、研发成本低、大宽度波导、大工作带宽、可波分复用等优点，极大提升了波导光子器件的传输特性，也促进了波导光子器件向微型化、智能化、多功能化、集成化方向发展。
9.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，包括平庸拓扑光子晶体与非平庸拓扑光子晶体，由平庸拓扑光子晶体构成的区域为平庸区域，由非平庸拓扑光子晶体构建的区域为非平庸区域，平庸区域内设有非平庸区域，非平庸区域内设有波导激励的光源。
10.优选地，所述非平庸区域包括第一非平庸区域、第二非平庸区域、第三非平庸区域，第一非平庸区域、第二非平庸区域、第三非平庸区域相连通；所述第一非平庸区域由一层连续排列的非平庸拓扑光子晶体构建，第二非平庸区域由两层连续排列的非平庸拓扑光子晶体构建，第三非平庸区域由三层连续排列的非平庸拓扑光子晶体构建；所述第三非平庸区域内设有光源。
11.优选地，所述非平庸区域为y字形结构，第三非平庸区域水平设置，第三非平庸区域的一端设有光源、另一端分别与第一非平庸区域和第二非平庸区域相连通。
12.优选地，所述第三非平庸区域水平设置，第一非平庸区域和第二非平庸区域分别向边界延伸。
13.优选地，所述光源为手性偏振源；所述手性偏振源由4根垂直于z轴的天线，天线上添加有线性偏振源，相邻线性偏振源的相位以π/2递增或递减分布。
14.优选地，所述手性偏振源为手性圆偏振，天线按照正方形排列，正方形的边长是0.2a，其中，a是三角晶格的晶格常数。
15.优选地，所述平庸拓扑光子晶体与非平庸拓扑光子晶体均为三角晶格圆环柱状拓扑光子晶体，平庸拓扑光子晶体与非平庸拓扑光子晶体均由全电介质硅圆环柱组成，全电介质硅圆环柱的相对介电常数为11.7、背景是空气。
16.优选地，所述平庸拓扑光子晶体的晶格单元的外半径r1＝0.4a、内半径r2＝0.26a；所述非平庸拓扑光子晶体的晶格单元的外半径r1＝0.45a、内半径r2＝0.35a；其中晶格常数a的数值为1um。
17.优选地，在第一布里渊区的光子能带分布种赝自旋光子态p态与d态从分离到dirac锥的二重简并，再到能带分离；赝自旋光子态p态与d态实现模式反转。
18.优选地，包含第一非平庸区域、第二非平庸区域、第三非平庸区域的三明治结构计算得到的投影光子体-边能带图中在光子体带隙中出现两条边界模式的色散曲线，通过改变三明治结构中间层非平庸拓扑光子晶体晶格的层数，单向边界模式工作带宽波导的不断增大，直到边界模式全反射带宽的区域消失；
19.三明治结构的电磁波主要集中在三明治结构的中间非平庸区域，在非平庸区域大宽度均匀分布的传输模式；当中间层是第一非平庸区域、第二非平庸区域、第三非平庸区域的三明治结构时，波导宽度分别为a、2a、3a晶格常数，且能量均匀分布且依次为95％、75％、75％；
20.通过包含第一非平庸区域、第二非平庸区域、第三非平庸区域的三明治结构在第一布里渊kx方向上能带色散曲线分布可以看出在不同频率下可以激励不同结构层波导的产生；若频率fa相交于包含第一非平庸区域、第二非平庸区域、第三非平庸区域的三明治结构的能带色散曲线，频率fa的光源在三种非平庸区域的不同晶格层中都产生单向大宽度波导；若频率fb相交于包含第二非平庸区域、第三非平庸区域的三明治结构的能带色散曲线，频率fb的光源在两层、三层的非平庸拓扑光子晶体组成的三明治结构中产生单向大宽度波导，在一层的非平庸拓扑光子晶体组成的三明治结构中是截止；若频率fc相交于包含第三非平庸区域的三明治结构的能带色散曲线，频率fc的激励源仅在三层非平庸拓扑层中产生单向大宽度波导，在一层、两层的非平庸拓扑光子晶体组成的三明治结构中是截止；如频率fd相交于包含第一非平庸区域、第三非平庸区域的三明治结构的能带色散曲线，频率fd的光源在一层、三层的非平庸拓扑光子晶体组成的三明治结构中产生单向大宽度波导，在两层的非平庸拓扑光子晶体组成的三明治结构中是截止。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果：用非平庸作为中间层，可获得大宽度，大容量的波导，另外，改变“非平庸层有限宽度”可实现工作能带的移动，进而实现波分复用。本发明基于用全电介质圆环柱三角晶格拓扑光子晶体构建一种三明治结构，通过改变圆环壁厚度以实现光子能带分离与模式反转，进而实现了在不同拓扑结构界面形成单向螺旋边界态。另外，本发明将非平庸(nontrivial)拓扑光子晶体中间层作为可调谐“有限宽度”，通过改变中间层晶格宽度，成功实现不同工作能带分布。最后，实现一种大工作带宽、大宽度波导、可波分复用的分束器。本发明可用于微型化、智能化、多功能化、集成化的光量子器件的设计与研发。
附图说明
22.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。
23.图1为本发明的整体结构示意图。
24.图2为本发明中三角晶格圆环柱拓扑光子晶体及对应的光子能带分布图。其中，(a)为三角晶格拓扑光子晶体结构示意图，(b)平庸(trivial)拓扑光子晶体晶格单元，(c)为最原始平庸(trivial)拓扑光子晶体晶格单元，(d)为非平庸(nontrivial)拓扑光子晶体晶格单元，(e)依次对应为(b)-(d)拓扑光子晶体晶格单元在第一布里渊中光子带隙的分布以及光子赝自旋p态与d态的光子本征模场分布。
25.图3为三角晶格拓扑光子晶体三明治结构的示意图。其中，(a)为三明治结构，其中l1、l2、l3表示中间层是一、二、三层非平庸拓扑光子晶体，(b)依次为基于三种结构超胞计算得到的投影光子体-边能带图，(c)分别为在三种拓扑三明治结构中电场(ez)能量分布，(d)分别为三种拓扑三明治结构中沿着y轴方向上的归一化电场振幅分布。
26.图4为本发明的仿真示例图。其中，(a)为本发明中沿kx方向上投影能带色散曲线；(b-e)分别为处于a,b,c,d不同频率的波导传输模式。
27.图中，1为平庸拓扑光子晶体，2为非平庸拓扑光子晶体，3为平庸区域，4为非平庸区域，5为第一非平庸区域，6为第二非平庸区域，7为第三非平庸区域，8为手性偏振源，9为构建手性偏振源的天线，10为手性偏振源的放大示意图。
具体实施方式
28.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。
29.如图1所示，一种基于三角晶格拓扑光子晶体的波分复用分束器，包括平庸(trivial)拓扑光子晶体1与非平庸(nontrivial)拓扑光子晶体2，由平庸拓扑光子晶体1构成的区域为平庸区域3，由非平庸拓扑光子晶体2构建的区域为非平庸区域4。其中非平庸区域4包含第一非平庸区域5、第二非平庸区域6、第三非平庸区域7。中间层由一层非平庸拓扑光子晶体2构建的为第一非平庸区域5，中间层由两层非平庸拓扑光子晶体2构建的为第二非平庸区域6，中间层由三层非平庸拓扑光子晶体2构建的第三非平庸区域7。波导激励的光源为手性偏振源8，手性偏振源8位于第三非平庸区域7内。10表示对手性偏振源8的放大示意图，手性偏振源包括4根垂直于z轴的天线9，天线9上添加有线性偏振源，相邻线性偏振源的相位以π/2递增或递减分布，实现一个手性偏振光源。所述天线9按照正方形排列，正方形的边长是0.2a，其中，a是三角晶格的晶格常数。天线9完美对称，这样的手性偏振源为手性圆偏振。
30.如图2所示，(a)为三角晶格圆环柱状拓扑光子晶体，其中晶格常数为a，其数值为1um，为三角晶格格矢方向。三角晶格拓扑光子晶体1和2由全电介质硅圆环柱组成，其相对介电常数为11.7，背景是空气，c真空光速。(b)为平庸(trivial)拓扑光子晶体1的晶格单元，其外半径r1＝0.4a，内半径r2＝0.26a。(c)为最原始平庸光子晶体晶格单元，其外半径r1＝0.45a，内半径r2＝0.2656a。(d)非平庸拓扑光子晶体2的晶格单元，其外半径r1＝0.45a，内半径r2＝0.35a。半径这样设置实现赝自旋光子态的分离与模式反转。图(e)依次为以上三种三角晶格拓扑光子晶体在第一布里渊区的光子能带分布，可以观察到赝自旋光
子态p态与d态从分离到dirac锥的二重简并，再到能带分离。更重要的是，赝自旋光子态p态与d态实现模式反转，从赝自旋光子态p态与d态电场本证模式分布可以看出。
31.如图3所示，(a)为三角晶格拓扑光子晶体三明治结构示意图，其中l1、l2、l3表示中间层是一、二、三层非平庸拓扑光子晶体，两边是由平庸拓扑光子晶体构成。(b)分别依次为基于三种结构计算得到的投影光子体-边能带图，在光子体带隙中出现两条边界模式的色散曲线，其中浅灰色矩形区域表示单向边界模式带宽，深灰色矩形区域为边界模式全反射带宽，不支持单向传输。因此，可以得到通过改变三明治结构中间层非平庸拓扑光子晶体晶格层数，单向边界模式工作带宽在不断增大，直到深灰色矩形区域消失。这足以说明本发明中这样设计会出现单向边界模式波导的工作带宽在不断增大且有一定移动。
32.(c)分别为在三种三明治结构中电场(ez)能量分布，其中白色圆箭头表示手心偏正源方向。通过观察发现，电磁波主要集中在三明治结构的中间非平庸层，而不是拓扑平庸与非平庸结构的边界。这说明本发明的波导并不是传统的单向螺旋边界模式，而是在非平庸层大宽度均匀分布的传输模式。(d)分别为三种拓扑三明治结构中沿着y轴方向上的归一化电场振幅分布。如(c)中虚线所示，定量测量不同三明治结构中波导在y轴方向上归一化电场分布，通过观察发现电场能量主要集中在非平庸拓扑光子层。当中间层是一层、二层、三层非平庸拓扑光子时，波导宽度大致分别为一个晶格常数a,2a 3a，且能量均匀分布，大致分别依次为95％、75％、75％。因此，本发明可获得一个大波到宽度且振幅分布均匀单向传输波导。
33.如图4所示，(a)三种三明治结构在第一布里渊kx方向上能带色散曲线分布。本图是对图3(a)中三种三明治结构计算得到能带色散曲线的整合。通过三种能带色散曲线分布可以看出，在不同频率下可以激励不同结构层波导的产生。在本发明的结构中以不同频率(a,b,c,d)光源激发，实现光波导分束。如频率fa相交于l1、l2、l3，说明在频率fa的激励源在三种不同晶格层中都产生单向大宽度波导；如频率fb相交于l2、l3，说明在频率fb的激励源在两层、三层非平庸拓扑层中产生单向大宽度波导，在一层非平庸拓扑层是截止。如频率fc相交于l3，说明在频率fc的激励源仅在三层非平庸拓扑层中产生单向大宽度波导，在一层、两层非平庸拓扑层是截止。如频率fd相交于l1、l3，说明在频率fd的激励源在一层、三层非平庸拓扑层中产生单向大宽度波导，在两层非平庸拓扑层是截止。
34.(b)在本发明中电场能量分布，其中激励源的频率为fa，观察发现，波导传输与(a)中理论结果一致。(c)在本发明中电场能量分布，其中激励源的频率为fb，观察发现，波导传输与(a)中理论结果一致。(d)在本发明中电场能量分布，其中激励源的频率为fc，观察发现，波导传输与(a)中理论结果一致。(e)在本发明中电场能量分布，其中激励源的频率为fd，观察发现，波导传输与(a)中理论结果一致。因此，本发明实现了大宽度波导，大工作带宽，可波分复用的波导分束器。
35.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，其特征在于，包括平庸拓扑光子晶体（1）与非平庸拓扑光子晶体（2），由平庸拓扑光子晶体（1）构成的区域为平庸区域（3），由非平庸拓扑光子晶体（2）构建的区域为非平庸区域（4），平庸区域（3）内设有非平庸区域（4），非平庸区域（4）内设有波导激励的光源。2.根据权利要求1所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，其特征在于，所述非平庸区域（4）包括第一非平庸区域（5）、第二非平庸区域（6）、第三非平庸区域（7），第一非平庸区域（5）、第二非平庸区域（6）、第三非平庸区域（7）相连通；所述第一非平庸区域（5）由一层非平庸拓扑光子晶体（2）构建，第二非平庸区域（6）由两层非平庸拓扑光子晶体（2）构建，第三非平庸区域（7）由三层非平庸拓扑光子晶体（2）构建；所述第三非平庸区域（7）内设有光源。3.根据权利要求2所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，其特征在于，所述非平庸区域（4）为y字形结构，第三非平庸区域（7）水平设置，第三非平庸区域（7）的一端设有光源、另一端分别与第一非平庸区域（5）和第二非平庸区域（6）相连通。4.根据权利要求3所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，其特征在于，所述第三非平庸区域（7）水平设置，第一非平庸区域（5）和第二非平庸区域（6）分别向边界延伸。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，其特征在于，所述光源为手性偏振源（8）；所述手性偏振源（8）由4根垂直于z轴的天线（9），天线（9）上添加有线性偏振源，相邻线性偏振源的相位以π/2递增或递减分布。6.根据权利要求5所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，其特征在于，所述手性偏振源（8）为手性圆偏振，天线（9）按照正方形排列，正方形的边长是，其中，是三角晶格的晶格常数。7.根据权利要求6所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，其特征在于，所述平庸拓扑光子晶体（1）与非平庸拓扑光子晶体（2）均为三角晶格圆环柱状拓扑光子晶体，平庸拓扑光子晶体（1）与非平庸拓扑光子晶体（2）均由全电介质硅圆环柱组成，全电介质硅圆环柱的相对介电常数为11.7、背景是空气。8.根据权利要求7所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，其特征在于，所述平庸拓扑光子晶体（1）的晶格单元的外半径r1=0.4a、内半径r2=0.26a；所述非平庸拓扑光子晶体（2）的晶格单元的外半径r1=0.45a、内半径r2=0.35a；其中晶格常数的数值为1um。9.根据权利要求8所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波分复用分束器，其特征在于，在第一布里渊区的光子能带分布种赝自旋光子态p态与d态分离到dirac锥的二重简并，再到dirac锥重新打开；赝自旋光子态p态与d态实现模式反转。10.根据权利要求4所述的基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波分复用分束器，其特征在于，包含第一非平庸区域（5）、第二非平庸区域（6）、第三非平庸区域（7）的三明治结构计算得到的投影光子体-边能带图中在光子体带隙中出现两条边界模式的色散曲线，通过改变三明治结构的中间层非平庸拓扑光子晶体晶格的层数，单向边界模式工作带宽波导的不断增大，直到边界模式全反射带宽的区域消失；三明治结构的电磁波主要集中在中间的非平庸区域，在非平庸区域大宽度均匀分布的
传输模式；当中间层是第一非平庸区域（5）、第二非平庸区域（6）、第三非平庸区域（7）的三明治结构时，波导宽度分别为a、2a、3a晶格常数，且能量均匀分布且依次为95%、75%、75%；通过包含第一非平庸区域（5）、第二非平庸区域（6）、第三非平庸区域（7）的三明治结构在第一布里渊kx方向上能带色散曲线分布可以看出在不同频率下可以激励不同结构层波导的产生；若频率f
a
=0.4398(c/a)相交于包含第一非平庸区域（5）、第二非平庸区域（6）、第三非平庸区域（7）的三明治结构的能带色散曲线，频率f
a
的光源在三种非平庸区域的不同晶格层中都产生单向大宽度波导，c为真空光速；若频率f
b
=0.44431(c/a)相交于包含第二非平庸区域（6）、第三非平庸区域（7）的三明治结构能带色散曲线，频率f
b
的光源在两层、三层的非平庸拓扑光子晶体（2）组成的三明治结构中产生单向大宽度波导，在一层的非平庸拓扑光子晶体（2）组成的三明治结构中是截止；若频率f
c
=0.45128(c/a)相交于包含第三非平庸区域（7）的三明治结构的能带色散曲线，频率f
c
的激励源仅在三层非平庸拓扑层中产生单向大宽度波导，在一层、两层的非平庸拓扑光子晶体（2）组成的三明治结构中是截止；如频率f
d
=0.46301(c/a)相交于包含第一非平庸区域（5）、第三非平庸区域（7）的三明治结构的能带色散曲线，频率f
d
的光源在一层、三层的非平庸拓扑光子晶体（2）组成的三明治结构中产生单向大宽度波导，在两层的非平庸拓扑光子晶体（2）组成的三明治结构是截止。

技术总结
本发明提出了一种基于三角晶格拓扑光子晶体大宽度波导波分复用分束器，用以解决蜂窝状拓扑谷光子晶体构成的波导分束器结构复杂，带宽窄的技术问题。本发明包括平庸拓扑光子晶体与非平庸拓扑光子晶体，由平庸拓扑光子晶体构成的区域为平庸区域，由非平庸拓扑光子晶体构建的区域为非平庸区域，平庸区域内设有非平庸区域，非平庸区域内设有波导激励的光源。本发明将非平庸拓扑光子晶体中间层作为可调谐“有限宽度”，通过改变中间层晶格层数，获得不同工作能带分布，成功实现了一种大工作带宽、大宽度波导、可波分复用的分束器。本发明可用于微型化、智能化、多功能化、集成化的光量子器件的设计与研发。件的设计与研发。件的设计与研发。


技术研发人员：姚建铨 何柳 吴亮 任群
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/25