一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115524791A(43)申请公布日2022.12.27(21)申请号202211307101.4(22)申请日2022.10.25(71)申请人苏州城市学院地址215104江苏省苏州市吴中区吴中大道1188号(72)发明人许孝芳翟楠刘雅琪孙铭沈云峰(74)专利代理机构北京圣州专利代理事务所(普通合伙)11818专利代理师李志强(51)Int.Cl.G02B6/122(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图8页(54)发明名称一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构(57)摘要本发明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，本发明技术方案和传统技术相比，本发明的技术方案更加简单易用。CN115524791ACN115524791A权利要求书1/1页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波导结构，其特征在于：圆形介质柱的半径r为0.04a0到0.06a0，介质柱的高度为0.6a0。4.根据权利要求3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：当1≤ε≤12，分为以下情况：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；当ε1<ε2＝12时拓扑光子晶胞具有拓扑平庸性质；当ε2<ε1＝12时拓扑光子晶胞具有拓扑非平庸性质。5.根据权利要求4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：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。6.根据权利要求5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：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。7.根据权利要求1‑6任一项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：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。2CN115524791A说明书1/6页一种基于蜂窝光子晶体的拓扑光子晶体光波导结构技术领域[0001]本发明涉及光子晶体的技术领域，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。背景技术[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。发明内容[0003]本发明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