基于旋转椭圆介质柱的太赫兹谷拓扑光子晶体及宽带拓扑光波导

本发明涉及谷拓扑光子晶体领域，尤其涉及一种基于旋转椭圆介质柱的太赫兹谷拓扑光子晶体及宽带拓扑光波导。

背景技术：

1、谷拓扑光子学是拓扑光子学领域的一部分，实现光量子霍尔效应需要通过旋磁材料来打破时间反演对称性。由于光量子霍尔效应的手性边界态受拓扑保护，对边界处的任何扰动都具有鲁棒性，尤其是基于光量子霍尔效应的光子拓扑绝缘体。基于光量子自旋霍尔效应的光子拓扑绝缘体通过构造赝自旋来实现，构造赝自旋自由度为光操控提供可能。虽然光量子自旋霍尔效应的鲁棒性不如光量子霍尔效应的稳健，但实现方式较为容易，因此光量子自旋霍尔效应具有很大的吸引力。谷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。

2、光量子谷霍尔效应无需打破时间反演对称性和构造赝自旋，只需在具有c3对称性的晶格中让狄拉克点位于不等价的谷上(k与k′谷)，然后通过相变机制实现谷霍尔效应。与光量子自旋霍尔效应相似的是，实现光量子谷霍尔效应也需引入自由度，即谷自由度。现主要存在两种方式引入谷自由度：采用电磁对偶谷光子晶体或采用全电介质的谷光子晶体。

技术实现思路

1、本发明设计了一种基于旋转椭圆介质柱的太赫兹谷拓扑光子晶体，通过旋转介质柱，就可以实现两种拓扑性质和双重狄拉克锥简并，结构简单，传输效率高，光子局域性增强，更易在实际中得到应用。基于以上提出的谷拓扑光子晶体，设计了一种灵活的可实现多种路径传输的光波导结构。工作带宽内的电磁波可以在沿着两种谷光子晶体的界面鲁棒的单向传输。

2、本发明是通过以下技术手段来实现上述技术目的的：

3、一种基于旋转椭圆介质柱的太赫兹谷拓扑光子晶体，其特征在于，由旋转椭圆介质柱在背景折射率为1.39的介质中排列而成，所述旋转椭圆介质柱截面形状是由三段椭圆形弧首尾相接围绕而成的c3对称结构图形，所述旋转椭圆介质柱的折射率n1＝0.22；所述椭圆形的长半轴a、短半轴b，每一个旋转椭圆介质柱构成一个正六边形晶胞，相邻正六边形晶胞中心之间的距离是晶格常数为a0，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角0°≤θ≤60°，定义旋转椭圆介质柱的椭圆形弧的短轴位于所述介质柱轴线与正六边形晶胞顶角连线上时的偏转角θ＝0°。

4、进一步地，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角30°<θ≤60°，所述谷拓扑光子晶体具有两个光子带隙，称为vpc1。

5、进一步地，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角θ，0°≤θ<30°，所述谷拓扑光子晶体两个光子带隙，称为vpc2。

6、进一步地，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角θ＝30°，所述谷拓扑光子晶体具有简并的狄拉克锥，称为vpc3。

7、进一步地，所述旋转椭圆介质柱长半轴a＝2r，短半轴b＝2.5r，其中r为0.113a。

8、进一步地，所述晶格常数a0＝1μm。

9、一种基于所述的谷拓扑光子晶体的宽带拓扑光波导，其特征在于，所述光波导结构是由偏转角θ＝60°的光子晶体vpc1与θ＝0°的光子晶体vpc2相邻拼接而成，光子晶体vpc1与光子晶体vpc2之间具有与所述介质柱轴线平行的拼接边界，所述光波导结构具有低频和高频两个公共带隙。

10、进一步地，所述光子晶体vpc2与光子晶体vpc1之间的拼接边界为具有弯折。

11、进一步地，所述光子晶体vpc2与光子晶体vpc1之间的拼接边界为一条或多条。

12、进一步地，所述光波导结构支持光单向传输，受拓扑保护的边界态波导结构，其工作带宽范围是0.63(2πc/a0)至0.84(2πc/a0)(对应于190thz-240thz)和1.35(2πc/a0)至1.73(2πc/a0)(对应于400thz-520thz)。。

13、本发明所述的基于旋转椭圆介质柱的太赫兹谷拓扑光子晶体，在不改变晶格常数、介质柱的大小和位置、背景材料等结构参数的基础上，仅需要简单地旋转介质柱，通过控制介质柱的旋转角度就能够实现两种拓扑性质和双重狄拉克锥简并，结构简单，而且传输效率高，光子局域性能强。与之前对改变晶格内介质柱的大小来实现边界态的单向传输的方案相比，该方案更加的简单，更易在实际中应用。

14、基于本发明提供的谷拓扑光子晶体构建的光波导结构，与现有的谷拓扑光子晶体光波导结构相比，通过旋转椭圆介质柱，不仅仅可以实现两种拓扑性质的vpc，还可以改变光子带隙，在实际应用可根据实际需求来改变旋转角度。

15、本发明设计的光波导结构具有较大的工作带宽，其具有高频、低频两个公共带隙，具有较高的传输率，传输效率可达99％，背向散射被抑制，可实现鲁棒的单向传输，并且光局域性得到增强，对无序，空腔和急弯免疫。在光通信和光开关等领域有着巨大潜在应用。

16、本发明设计的光波导结构，在不需要改变晶格常数a0，介质柱大小，以及背景和介质柱的材料的情况下，仅需要控制旋转角度，就可以实现电磁波多种路径的传输，是一个非常具有应用价值的选择。

技术特征：

1.一种基于旋转椭圆介质柱的太赫兹谷拓扑光子晶体，其特征在于，由旋转椭圆介质柱在背景折射率为1.39的介质中排列而成，所述旋转椭圆介质柱截面形状是由三段椭圆形弧首尾相接围绕而成的c3对称结构图形，所述旋转椭圆介质柱的折射率n1＝0.22；所述椭圆形的长半轴a、短半轴b，每一个旋转椭圆介质柱构成一个正六边形晶胞，相邻正六边形晶胞中心之间的距离是晶格常数为a0，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角0°≤θ≤60°，定义旋转椭圆介质柱的椭圆形弧的短轴位于所述介质柱轴线与正六边形晶胞顶角连线上时的偏转角θ＝0°。

2.根据权利要求1所述的谷拓扑光子晶体，其特征在于，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角30°<θ≤60°，所述谷拓扑光子晶体具有两个光子带隙，称为vpc1。

3.根据权利要求1所述的谷拓扑光子晶体，其特征在于，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角θ，0°≤θ<30°，所述谷拓扑光子晶体两个光子带隙，称为vpc2。

4.根据权利要求1所述的谷拓扑光子晶体，其特征在于，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角θ＝30°，所述谷拓扑光子晶体具有简并的狄拉克锥，称为vpc3。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的谷拓扑光子晶体，其特征在于，所述旋转椭圆介质柱长半轴a＝2r，短半轴b＝2.5r，其中r为0.113a。

6.根据权利要求5中所述的谷拓扑光子晶体，其特征在于，所述晶格常数a0＝1μm。

7.一种基于权利要求1所述的谷拓扑光子晶体的光波导结构，其特征在于，所述光波导结构是由偏转角0°≤θ<30°的光子晶体vpc2与30°≤θ<60°的光子晶体vpc1相邻拼接而成，光子晶体vpc2与光子晶体vpc1之间具有与所述介质柱轴线平行的拼接边界，所述光波导结构具有两个公共带隙。

8.根据权利要求6所述的宽带拓扑光波导，其特征在于，所述光子晶体vpc2与光子晶体vpc1之间的拼接边界为具有弯折。

9.根据权利要求6所述的宽带拓扑光波导，其特征在于，所述光子晶体vpc2与光子晶体vpc1之间的拼接边界为一条或多条。

10.根据权利要求6所述的宽带拓扑光波导，其特征在于，所述光波导结构支持光单向传输，受拓扑保护的边界态波导结构，其工作带宽范围是0.63(2πc/a0)至0.84(2πc/a0)、对应于190thz-240thz和1.35(2πc/a0)至1.73(2πc/a0)、对应于400thz-520thz。

技术总结
本发明提供了一种基于旋转椭圆介质柱的太赫兹谷拓扑光子晶体及宽带拓扑光波导，所示谷拓扑光子晶体由旋转椭圆介质柱在背景折射率为1.39的介质中排列而成，所述旋转椭圆介质柱绕其轴线逆时针方向旋转的偏转角可在0°～60°之间调整，实现两种拓扑性质的VPC，还可以获得两个光子带隙，其中低频带隙宽度可达到0.21(2πc/a)，高频带隙宽度可达0.38(2πc/a)，相较于以往的结构有显著的增加，因此适用于宽带、选频和器件的设计。有该晶体结构构建的光波导具有单向鲁棒的传输，且具有较高的传输率，光局域性增强，对无序、空腔、急弯等缺陷具有免疫特性。该光波导结构通过旋转介质柱能够实现“U”、“Y”形和“Z”形等不同路径的单向传输。

技术研发人员：许孝芳,翟楠,刘雅琪,孙铭,沈云峰
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15