一种基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器制造技术

本发明专利技术提出了一种基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器，包括平庸拓扑区域、含Dirac锥简并的平庸拓扑区域和非平庸拓扑区域，含Dirac锥简并的平庸拓扑区域设置在平庸拓扑区域和非平庸拓扑区域之间，平庸拓扑区域内均匀排列有平庸拓扑光子晶体，含Dirac锥简并的平庸拓扑区域内均匀排列有含Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体，非平庸拓扑区域内均匀排列有非平庸拓扑光子晶；含Dirac锥简并的平庸拓扑区域内设有手性偏振源。本发明专利技术用第一布里渊区光子能带分布不同的三种拓扑光子晶体构建三明治结构，实现单向、分布均匀、大宽度波导，进而设计拓扑光子晶体大宽度波导分束器。本发明专利技术具有大容量、鲁棒性、高效率等传输特性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器


[0001]本专利技术涉及拓扑光子学、波导光学及集成光子器件、集成光路设计等
，尤其涉及一种基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器。

技术介绍

[0002]近年来，随着光子拓扑绝缘体的蓬勃发展，集成光学领域得到空前发展。高度集成微纳芯片也逐渐出现在大众视野。在拓扑光子学领域目前主要在基础研究、应用研究、拓扑量子非线性效应等几个方向开展研究与探索。基础研究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，二阶(高阶)拓扑绝缘体角态，Floquet拓扑绝缘体，拓扑BIC(连续束缚态)。应用研究主要有拓扑非线性频率变换(二次谐波产生、三次谐波产生、四波混频)，可重构与可编码的拓扑绝缘体。拓扑量子非线性效应的研究主要是基于量子纠缠产生环境过于苛刻而拓扑保护可降低量子纠缠发生的环境要求。目前拓扑量子非线性效应研究，还存在探索与验证阶段。因此，量子纠缠双光子态的产生与实验平台搭建都存在一定限制。
[0003]简单而言，拓扑光子学的基础研究仍是拓扑绝缘体研究的核心，尤其是基于霍尔效应的拓扑有序态。因各种拓扑有序态被提出和被证实，且能有效地应用到微纳集成光电子器件中，实现电磁人工微结构对光多自由度的高效操控与应用，对光子霍尔态的研究已成为集成光学领域及量子通信方面不可扭转发展趋势。
[0004]目前，基于拓扑有序态构建的波导光子器件向微型化、智能化、多功能化、集成化方向发展，因此大量的传输特性的波导及光子器件被科研工作者研发设计。
[0005]在2020年，武汉大学刘正猷教授课题组提出一种基于谷声子晶体构建的拓扑异质结，可现实单向大宽度声子波，且声波宽度随着异质结中间层可无限放大(Valley
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locked waveguide Transport in acoustic heterostructures)。该成果发表在nature communications上，其工作主要贡献在于提出这样异质结构可现实无限大的声波宽度，另外通过改变中间层宽度可现实一种声场能量的调控。随后，2021年刘正猷教授课题组将声子领域的研究延伸到光子领域，用磁光光子晶体构建一种拓扑异质结，并实验证实得到一种大宽度光波导且光波导宽度随着中间层宽度可无限扩宽(Topological One
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Way Large
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Area Waveguide States in Magnetic Photonic Crystals)，该工作发表在Physical Review Letter上。该工作表明，改变中间层宽度可实现光场强度调控，可用于光路准直与聚集。同年，浙江大学杨怡豪教授课题组提出用一种基于拓扑谷光子构建的拓扑异质结同样可以实现大宽度波导，波导宽度受中间层宽度调控(Photonic Topological Valley
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Locked Waveguides)，该工作发表在ACS Photonics上。该工作表明，可将波导宽度作为除了频率、振幅、相位以外的调节光场的一个自由度。基于量子霍尔效应的拓扑光子有序态不仅有以上量子整数霍尔波导态和谷量子霍尔扭态两种，还有量子自旋霍尔效应的螺旋边界态。目前，在量子自旋霍尔效应系统中的大宽度波导的提出与验证还处在空白。
[0006]基于以上调研，本专利技术设计一种基于量子霍尔效应的拓扑光子晶体大宽度波导单向传输波导，然后基于这样的波导专利技术一款大宽度波导分束器。

技术实现思路

[0007]针对传统拓扑边界态都存在于不同拓扑结构的边界，电磁波单向边界态集中分布于边界或界面，远离界面则迅速衰减；另外对单向边界态的操控单一，主要有激励源偏振、频率、相位等自由度对光场进行调控，本专利技术提出一种基于量子霍尔效应的拓扑光子晶体大宽度波导单向传输波导，将波导宽度作为一种调控光场的另一种方式；在此基础上设计一款大宽度波导分束器，相对传统的波导分束器，本专利技术具有大容量、鲁棒性、高效率等传输特性，是一种新型多功能的波导分束器。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器，包括平庸拓扑区域、含Dirac锥简并的平庸拓扑区域和非平庸拓扑区域，含Dirac锥简并的平庸拓扑区域设置在平庸拓扑区域和非平庸拓扑区域之间，平庸拓扑区域内均匀排列有平庸拓扑光子晶体，含Dirac锥简并的平庸拓扑区域内均匀排列有含Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体，非平庸拓扑区域内均匀排列有非平庸拓扑光子晶；含Dirac锥简并的平庸拓扑区域内设有手性偏振源。
[0009]优选地，所述含Dirac锥简并的平庸拓扑区域在手性偏振源的后侧分成两个分支，两个分支分别向下或向下延伸后水平输出，两个分支之间设有平庸拓扑区域和非平庸拓扑区域。
[0010]优选地，所述含Dirac锥简并的平庸拓扑区域的形状为鱼叉形；所述含Dirac锥简并的平庸拓扑区域的上侧为非平庸拓扑区域、下侧为平庸拓扑区域。
[0011]优选地，所述平庸拓扑光子晶体、Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体和非平庸拓扑光子晶均由全电子介质材料氧化铝圆柱组成，其介电常数为7.5，背景是空气，圆柱半径为0.12a；其中，a为晶格常数且取500nm。
[0012]优选地，所述平庸拓扑光子晶体、Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体和非平庸拓扑光子晶均由蜂窝状晶格构成，在蜂窝状晶格中含有6个正六边形排列的圆柱，改变次相邻圆柱的距离实现赝自旋光子带隙的分离与模式反转。
[0013]优选地，所述平庸拓扑光子晶体的晶格单元的一组次相邻圆柱距离晶格中心距离R1＝a/3，另一组次相邻圆柱距离晶格中心距离R2＝a/3.5；含Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体的晶格单元中R1＝a/3,R2＝a/3；非平庸拓扑光子晶体的晶格单元中R1＝a/3,R2＝a/2.65。
[0014]优选地，含Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体在第一布里渊区光子能带分布中光子赝自旋态p、d态在Γ点简并，出现二重Dirac锥；大宽度波导态主要出现在由5层含Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体组成的含Dirac锥简并的平庸拓扑区域；在包含平庸拓扑区域、含Dirac锥简并的平庸拓扑区域和非平庸拓扑区域三明治结构的结构超胞中，电场振幅均匀分布在含Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体区域，电磁波均匀分布、集中在含Dirac锥简并的平庸拓扑区域；波导能量均匀分布在含Dirac锥简并的平庸拓扑区域且波导宽度等于中间层的晶格层数。
[0015]优选地，电场能量主要均匀分布在含Dirac锥简并的平庸拓扑区域，在通过2个60
°
角的缺陷时，电磁波依然能绕过障碍，稳稳单向传输；两个分支所在的分束通道的波导分布一致且波导宽度是5a；即使波导传输距离有23a，分束通道的电场能量约为手性偏振源所在的主干通道电场能量的一半。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器，其特征在于，包括平庸拓扑区域(4)、含Dirac锥简并的平庸拓扑区域(5)和非平庸拓扑区域(6)，含Dirac锥简并的平庸拓扑区域(5)设置在平庸拓扑区域(4)和非平庸拓扑区域(6)之间，平庸拓扑区域(4)内均匀排列有平庸拓扑光子晶体(1)，含Dirac锥简并的平庸拓扑区域(5)内均匀排列有含Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体(2)，非平庸拓扑区域(6)内均匀排列有非平庸拓扑光子晶(3)；含Dirac锥简并的平庸拓扑区域(5)内设有手性偏振源(7)。2.根据权利要求1所述的基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器，其特征在于，所述含Dirac锥简并的平庸拓扑区域(5)在手性偏振源(7)的后侧分成两个分支，两个分支分别向下或向下延伸后水平输出，两个分支之间设有平庸拓扑区域(4)和非平庸拓扑区域(6)。3.根据权利要求1所述的基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器，其特征在于，所述含Dirac锥简并的平庸拓扑区域(5)的形状为鱼叉形；所述含Dirac锥简并的平庸拓扑区域(5)的上侧为非平庸拓扑区域(6)、下侧为平庸拓扑区域(4)。4.根据权利要求1
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3中任意一项所述的基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器，其特征在于，所述平庸拓扑光子晶体(1)、Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体(2)和非平庸拓扑光子晶(3)均由全电子介质材料氧化铝圆柱组成，其介电常数为7.5，背景是空气，圆柱半径为0.12a；其中，a为晶格常数且取500nm。5.根据权利要求4所述的基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器，其特征在于，所述平庸拓扑光子晶体(1)、Dirac锥简并的平庸拓扑光子晶体(2)和非平庸拓扑光子晶(3)均由蜂窝状晶格构成，在蜂窝状晶格中含有6个正六边形排列的圆柱，改变次相邻圆柱的距离实现赝自旋光子带隙的分离与模式反转。6.根据权利要求5所述的基于量子霍尔效应拓扑光子晶体大宽度波导分束器，其特征在于，所述平庸拓扑...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建铨，何柳，吴亮，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：