一种基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构

本发明属于拓扑光子学，具体涉及一种基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构。

背景技术：

1、在光学研究中，人们一直在寻找有效地定位光子并引导其传输的方法。传统的方法包括光纤中的全内反射、光子晶体波导中的光子带隙和光腔。在近年来的研究中，具有拓扑保护和单向传输特性的拓扑边缘态(tes)提供了一种引导光传播的新方法。然而，所有的tes都是由光子晶体(pc)的带隙造成的，而带隙的宽度总是有限的，这阻碍了它们的应用。

2、为了增加带隙宽度和消除辐射模式，研究者在静态磁场下提出了新的方法，在半无限光子晶体结构和半无限金属区域之间构造波导，可以在一定频率范围内完全抑制散射，并在具有反向平行直流磁场的两种陀螺磁介质之间的界面上发现了磁性界面态(mis)，其具有高效率、宽带、无反射和抗无序的鲁棒性。虽然磁性界面态的色散曲线可以占据很大的频率范围，但要限制在界面处，它们必须在带隙内，因此工作带宽仍然是有限的。

3、最近，人们开始探索拓扑角态(tcs)与连续谱中的束缚态(bic)之间的有趣联系。bic具有与扩展态连续谱中的特征值相对应的反直觉局域态，高阶拓扑角态打破了拓扑态只能出现在带隙中的限制。这引发了一个自然的问题，即拓扑边缘态能否像拓扑角态一样以bic的形式嵌入到体带中，从而摆脱带隙的限制，找到一种新的光子引导方法。然而，实现这种tes比实现拓扑角态要困难得多，因为tes是连续带，而拓扑角态和bic则是离散模态点。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，用以解决普通tes和pc中边界态的带宽限制问题。

2、本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

3、一种基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，二维光子晶格板，其上晶格原胞为正六边形结构，所述六边形的每个顶角处设有介质柱，所述介质柱分为尺寸大小不等的两类，两类介质柱沿原胞的边间隔排布。

4、进一步地，所述介质柱为圆形结构，每个原胞分别与相邻的其他两个原胞均分一个圆形介质柱。

5、进一步地，所述介质柱为yig材质。

6、进一步地，所述二维光子晶格板包括两部分结构，两部分结构之间形成边界带，所述边界带垂直于晶格原胞的边，边界带两侧相邻的晶格呈镜像对称。

7、进一步地，尺寸较大的介质柱施加有磁场。

8、进一步地，所述的两部分结构之间，所施加的磁场方向相反。

9、进一步地，所述磁场大小为1600gauss，所述介质柱的尺寸分别为半径r1＝0.23μm、r2＝0.3μm。

10、进一步地，相邻两晶格原胞的中心距为1μm。

11、进一步地，使用时利用由mis与tes合并所形成的束缚态进行波导。

12、本发明的有益效果为：

13、(1)本发明提供了一种基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其中提出了一种正六边形结构的晶格原胞。所提出的晶格原胞中设有两种半径不同的圆磁棒介质柱，在加入磁场后，能够降低结构对称性，从而打开原本闭合的能带以形成带隙。

14、(2)本发明波导结构中，在边界两侧加入相反磁场后，时空反演对称性被打破，形成的非对称界面态为mis，进而mis与tes合并为束缚态。所得到的束缚态带宽相较于普通的边界态有很大的提升。并且束缚态的模态场被严格限制在界面位置，表现出明显的单向传输特性。

技术特征：

1.一种基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：二维光子晶格板，其上晶格原胞为正六边形结构，所述六边形的每个顶角处设有介质柱，所述介质柱分为尺寸大小不等的两类，两类介质柱沿原胞的边间隔排布。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：所述介质柱为圆形结构，每个原胞分别与相邻的其他两个原胞均分一个圆形介质柱。

3.根据权利要求1所述的基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：所述介质柱为yig材质。

4.根据权利要求1所述的基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：所述二维光子晶格板包括两部分结构，两部分结构之间形成边界带，所述边界带垂直于晶格原胞的边，边界带两侧相邻的晶格呈镜像对称。

5.根据权利要求4所述的基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：尺寸较大的介质柱施加有磁场。

6.根据权利要求5所述的基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：所述的两部分结构之间，所施加的磁场方向相反。

7.根据权利要求4所述的基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：所述磁场大小为1600gauss，所述介质柱的尺寸分别为半径r1＝0.23μm、r2＝0.3μm。

8.根据权利要求7所述的基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：相邻两晶格原胞的中心距为1μm。

9.根据权利要求1所述的基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，其特征在于：使用时利用由mis与tes合并所形成的束缚态进行波导。

技术总结
本发明提供了一种基于拓扑边界态和磁性界面态的波导结构，二维光子晶格板，其上晶格原胞为正六边形结构，所述六边形的每个顶角处设有介质柱，所述介质柱分为尺寸大小不等的两类，两类介质柱沿原胞的边间隔排布。本发明波导结构中，在边界两侧加入相反磁场后，时空反演对称性被打破，形成的非对称界面态为MIS，进而MIS与TES合并为束缚态。所得到的束缚态带宽相较于普通的边界态有很大的提升。并且束缚态的模态场被严格限制在界面位置，表现出明显的单向传输特性。

技术研发人员：卜凡,方云团
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13