本发明专利技术公开了一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构，光子晶体是一种新型的人工晶体材料，由不同介电常数材料在空间中周期排列组成。可以用来操纵和控制光子，拓扑光子晶体就是将凝聚态物理中的拓扑绝缘体机制应用在光学领域，将光限制在光子晶体不同拓扑态的界面处，让光可以单向传输，抑制背向散射并且在弯曲或缺陷处无散射，因此拓扑光子晶体在很多领域中都得到了应用。本发明专利技术针对现有技术的不足，通过改变内部介质柱的介电常数，就可以实现双重狄拉克锥：不需要再去更改其它结构，而且光波导的传输效率高，光子局域性能强且自由度高，本发明专利技术技术方案和传统技术相比，本发明专利技术的技术方案更加简单易用。本发明专利技术的技术方案更加简单易用。本发明专利技术的技术方案更加简单易用。
【技术实现步骤摘要】
一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构
[0001]本专利技术涉及光子晶体的
，尤其是涉及一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构。
技术介绍
[0002]近几十年来，拓扑绝缘体作为凝聚态物理的一个重要领域，成为当前的研究热点之一,光学拓扑绝缘体是对电子拓扑绝缘体的模拟,该材料内部为绝缘体，边缘存在受拓扑保护的边界态，电磁波可以沿着边缘进行单向传输，背向散射被抑制，并且免疫无序，杂质等缺陷。拓扑光子晶体在很多领域得到应用，如：拓扑激光器、鲁棒的光学延时线、光波导器件等。实现光学系统中的量子自旋霍尔效应的关键在于实现Kramers简并，目前的主要方法是利用六个介质柱构建具有C6对称的蜂窝晶胞，在蜂窝晶胞的带隙内实现了四重偶然简并的狄拉克点。通过对蜂窝晶胞进行压缩和拉伸可以打开光子带隙，实现能带反转，拓扑相变。这种方法在实际应用中较为繁琐，并且在调控时相对困难。
技术实现思路
[0003]本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构，仅需要改变介质柱的介电常数，就可以实现双重狄拉克锥，在不改变晶格常数、介质棒的大小和位置等其他因素的情况下，控制内圈与外圈的介质柱的介电常数就可以实现拓扑平庸到拓扑非平庸的转变，解决了
技术介绍
中提到的问题，传输效率高，光子局域性能强且自由度高，相比于传统方法中对蜂窝晶格采取压缩或拉伸的方法，本专利技术采取的方案更加简单灵活，更易在实际中进行应用。同时基于上述提出的拓扑平庸和拓扑非平庸的拓扑光子晶体，设计了一种新型分束器结构，在分束器工作带宽内的电磁波可以在沿着拓扑平庸和非平庸界面鲁棒的进行单向传输。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构，包括光子晶体波导结构，所述光子晶体波导结构由两个部分组成，上半部分是由具有拓扑平庸性质的晶胞在空气中排列组成，下半部分是由具有拓扑非平庸性质的晶胞在空气中排列而成；
[0005]拓扑平庸性质的晶胞与拓扑非平庸性质的晶胞均由12个横截面为圆形的介质柱组成，6个介质柱为一组，按照C6的结构组成了一大一小的两个正六边形，再将内圈介质柱旋转一定的角度，与外圈介质柱组合形成正六角星形结构；
[0006]从晶胞中心到内侧介质柱的距离为R1，内侧介质柱的介电常数为ε1，内侧介质柱的半径是r1；从晶胞中心到外侧介质柱的距离为R2，外侧介质柱的半径是r2，处于外侧介质柱的介电常数为ε2；外侧介质柱与内侧介质柱的距离差距为s＝R2‑
R1，相邻晶胞中心之间的距离是晶格常数a0，空气的介电常数ε0是1。
[0007]优选的，每一个晶胞在空气中均按照三角点阵排列而成，点阵向量和
其中晶格常数a0＝346μm，和是三角形晶格基本向量，a为水平向量的长度。
[0008]优选的，圆形介质柱的半径r为0.04a0到0.06a0，介质柱的高度为0.6a0。
[0009]优选的，当1≤ε≤12，分为以下情况：
[0010]当ε1＝ε2＝12时拓扑光子晶胞具有双重狄拉克锥，表现为蜂窝晶胞；
[0011]当ε1<ε2＝12时拓扑光子晶胞具有拓扑平庸性质；
[0012]当ε2<ε1＝12时拓扑光子晶胞具有拓扑非平庸性质。
[0013]优选的，拓扑平庸性质的晶胞和拓扑非平庸性质的晶胞均为4层结构。
[0014]优选的，当为拓扑平庸性质的晶胞时ε1＝5，ε2＝12；当为拓扑非平庸性质的晶胞时，ε1＝12，ε2＝5。
[0015]优选的，将上述光子晶体波导结构应用在分束器中，所述分束器在0.555
‑
0.575(2πc/a)的工作频率范围内的波动在[0,1.5]之间。
[0016]本专利技术提出的一种单胞光子晶体具体为：在蜂窝晶格中用十二个介质柱替换原来6个介质柱，且使这十二个介质柱的中心相互连接呈正六角星。该晶胞单元结构可以通过三种方式实现拓扑相变：
[0017](1)当十二个介质柱的大小固定时，可以压缩或拉伸介质柱；
[0018](2)当a0/R＝3时，改变内圈或外圈介质柱的大小；
[0019](3)当介质柱的大小和a/R为定值时，改变内圈或外圈介质柱的介电常数。通过计算不同结构参数复杂单胞的能带图，三种方式均实现了拓扑相变的机制，设计并模拟仿真实现了光流的向右单向传输，该波导有望在光子集成器件中得到应用。
[0020]本专利技术提出了一种新型的晶胞结构，与前人所提出的结构相比有更大的自由度，能够自由转动或者改变其大小，可调的参数与六个介质柱的单胞相比更多，并且能在一种结构内实现三种拓扑相变；还提出了一种实现拓扑相变的新机制：在不改变介质棒大小及位置的情况下，通过改变外圈与内圈介质棒的介电常数，就能实现拓扑相变。
[0021]因此，本专利技术采用上述一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构，采用十二根介质柱，通过改变内外圈介质柱的介电常数来控制拓扑相变，并能在一种结构内通过不同的方法来实现三种拓扑相变，使用更加灵活方便。
[0022]下面通过实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0023]图1为本专利技术中晶胞在空气中排列的结构图；
[0024]图2为本专利技术单晶胞内部结构；
[0025]图3为本专利技术中将三角形晶格的第一个BZ重构为菱形；
[0026]图4为本专利技术中为当a0/R＝3时，r1＝r2＝0.06a0时，Δε＝ε1‑
ε2时，蜂窝晶格单胞中ω
pd
和|Δω|随Δε的变化趋势；
[0027]图5为本专利技术中当a0/R＝3，ε1＝ε2＝12时，蜂窝晶格单胞中ω
pd
和|Δω|随r2/r1的变化趋势；
[0028]图6为本专利技术中是当r1＝r2＝0.06a0，ε1＝ε2时，蜂窝晶格单胞中狄拉克点频率随ε
的变化趋势；
[0029]图7为本专利技术中是当r1＝r2分别为0.06a0、0.05a0和0.04a0时，蜂窝晶格单胞中a0/R随s的变化趋势；
[0030]图8为本专利技术中a0/R＝3，r1＝r2＝0.06a0时，外圈与内圈介质棒介电常数分别为ε1＝5，ε2＝12(a),ε1＝ε2＝12(b)和ε1＝12，ε2＝5(c)的能带结构图；
[0031]图9为本专利技术中记录的拓扑相变的过程；
[0032]图10为本专利技术中拓扑平庸与拓扑非平庸构建的超胞及超胞对应的带状色散曲线图；
[0033]图11为本专利技术中是基于图10的新型超胞及超胞对应的带状色散曲线图；
[0034]图12为本专利技术中所设计的光子晶体波导在0.555(2πc/a)时的电场图，上半部分是拓扑平庸结构，下半部分是拓扑非平庸结构；
[0035]图13为本专利技术中所设计的光子晶体波导在0.565(2πc/a)时的电场图；
[0036]图14为本专利技术中所设计的光子晶体波导在0.555
‑...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构，其特征在于：包括光子晶体波导结构，所述光子晶体波导结构由两个部分组成，上半部分是由具有拓扑平庸性质的晶胞在空气中排列组成，下半部分是由具有拓扑非平庸性质的晶胞在空气中排列而成；拓扑平庸性质的晶胞与拓扑非平庸性质的晶胞均由12个横截面为圆形的介质柱组成，6个介质柱为一组，按照C6的结构组成了一大一小的两个正六边形，再将内圈介质柱旋转一定的角度，与外圈介质柱组合形成正六角星形结构；从晶胞中心到内侧介质柱的距离为R1，内侧介质柱的介电常数为ε1，内侧介质柱的半径是r1；从晶胞中心到外侧介质柱的距离为R2，外侧介质柱的半径是r2，处于外侧介质柱的介电常数为ε2；外侧介质柱与内侧介质柱的距离差距为s＝R2‑
R1，相邻晶胞中心之间的距离是晶格常数a0，空气的介电常数ε0是1。2.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构，其特征在于：每一个晶胞在空气中均按照三角点阵排列而成，点阵向量和其中晶格常数a0＝346μm，和是三角形晶格基本向量，a为向量在水平方向的长度。3.根据权利要求2所述的一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光...
【专利技术属性】
技术研发人员：许孝芳，翟楠，刘雅琪，孙铭，沈云峰，
申请(专利权)人：苏州城市学院，
类型：发明
国别省市：
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