[发明专利]基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构

说明书

本发明属于量子光学和光通信系统，具体涉及一种基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构。一种基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构，该结构包括两种相同晶格、类型相同的二维光子晶体PhC1与PhC2，光在两种二维光子晶体的分界面上实现单向传输。本发明提供了一种基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构，该结构可以实现TM模光的单向传输，且对缺陷和杂质是免疫的，可为高效光传输问题在新型光波导的设计提供一条新的思路。

技术领域

本发明属于量子光学和光通信系统，具体涉及一种基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构。

背景技术

光子晶体是近二十年来人们提出的新型人工结构材料，其具有尺寸小，光损耗低等特点，适合制作微型集成光器件，在众多领域具有极高的应用价值，如光子晶体滤波器件、光子晶体光纤等新型光学器件。目前比较广泛的实现光子单向传输的方法就是将非线性材料加入光子晶体之中，通过非线性特性来实现光波单向传输。然而，这些设计虽然可以实现在微纳尺度下的光子单向传导功能，但需要较高的能量才能够使非线性特性得以体现，这对器件的设计与应用提出了更高的要求。随着理论与研究技术的不断进步，发现在拓扑光子晶体的边界或表面总是存在手性的单向或螺旋自旋极化的边缘态，这种受拓扑保护的边缘态具有对杂质或缺陷免疫的鲁棒性，拓扑光学结构的光子态的性质非常稳定，对制备误差有较高的容忍度。

因此，在光量子计算与光通信中，可研究出高效光传输，低损耗的光单向传输的光学结构。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决技术问题为：提供一种基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构，该结构包括两种相同晶格、类型相同的二维光子晶体PhC1与PhC2，光在两种二维光子晶体的分界面上实现单向传输。

两种二维光子晶体均是以空气为背景介质的二维斜方晶系复原胞结构，晶格常数均为25mm，晶格夹角为，两种晶体均为复式原胞，原胞内的两个介质管的外径均为3mm，内径均为0.9mm，介质管整体呈石墨烯结构排列。

两种二维光子晶体原胞内的两个介质管均为相对介电常数分别为9.0和12.0的电介质材料，PhC1与PhC2的区别在于原胞内的两个介质管的位置相反。

两种二维光子晶体的分界面上实现单向传输的光的工作波长为61.98mm-65.21mm的微波波段。

利用光子晶体拓扑性质实现光波单向传输，具体在于PhC1与PhC2分别属于同一晶格结构在材料折射率连续变化过程中发生能带反转的两种不同拓扑性质的光子晶体，在两者相接的分界面上可以实现基于拓扑性质的光的单向传输。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明提供了一种基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构，该结构可以实现TM模光的单向传输，且对缺陷和杂质是免疫的，可为高效光传输问题在新型光波导的设计提供一条新的思路。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于能带反转实现光波单向传输的拓扑光子晶体复合结构的结构示意图。

图2为本发明实施例中光子晶体PhC1和光子晶体PhC2在TM模式的能带图和本征场分布图：图2(a)和图2（b）分别为光子晶体PhC1和光子晶体PhC2在TM模式的能带图，矩形阴影部分为禁带；图2(c)和图2（d）分别为光子晶体PhC1在和的本征场分布图；图2(e)和图2（f）分为光子晶体PhC2在和的本征场分布图，图中的箭头表示的是能流的传播方向。

图3（a）为光子晶体PhC1和光子晶体PhC2组成的投影能带；图3(b) 为频率4.8GHz且波矢为-0.35(2π/a)处的界面态本征场分布；图3(c) 光子晶体PhC1和光子晶体PhC2拉开0.1a距离后的投影能带。