[发明专利]一种基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导

说明书

本发明提供了一种基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导，包括拓扑平庸结构、拓扑非平庸结构，另一部分由具有拓扑非平庸性质的晶胞排列构成。在能带结构中第一布里渊区出现较为平缓的能带，光在该频率的传输群速度接近于0，实现了慢光传输。椭圆介质柱，材料为普通介电材料硅，生产成本低。

技术领域

本发明涉及一种光子晶体技术领域，特别涉及一种基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导。

背景技术

拓扑边界态是近几年的研究热点之一，它是一种新的物态.并且可看作量子自旋霍尔效应的直接推广。利用具有C₆对称性蜂窝状光子晶体结构可以在零磁场的条件下构建出具有赝时间反演对称性的系统，实现类似量子化的光拓扑态。通过改变蜂窝状光子晶体的占空比，可使光子带隙在闭合到打开的过程中实现能带反转，出现受拓扑保护的边界态。

目前，单向传输的拓扑边界态受到研究人员的极大关注。然而，关于实现调控拓扑边界态在光子晶体内部传播光群速度大小方面的研究仍然比较匮乏。

利用拓扑边界态不受扰动和结构缺陷影响的鲁棒特性，设计出群速度接近于0，且局域在边界上的光子晶体慢光波导结构，可以加大光集成器件中光的存储容量和精度，实现光存储和光传感的功能。因此，提出一种基于拓扑边界态的慢光波导结构，进一步设计出全光通信中的核心器件——光缓存器，对光通信领域集成化、智能化有着重要的意义。

发明内容

本发明基于拓扑光子晶体螺旋边界态和光子赝自旋分布，设计了一种二维光子晶体慢光波导结构，即基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导，实现光在特定频率附近的慢光传输。

本发明所述的基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导，其特征在于，包括拓扑平庸结构、拓扑非平庸结构，拓扑非平庸结构由具有拓扑非平庸性质的晶胞排列构成，

拓扑平庸结构由多层具有拓扑平庸性质的晶胞排列组成，所述拓扑平庸性质的晶胞由截面为椭圆形的介质柱呈C₆对称的方式排列构成，拓扑平庸性质的晶胞的二维截面为正六边形，所述介质柱截面的长轴与晶胞边界平行；相邻两个拓扑平庸性质的晶胞共用一条边；所述相邻两个拓扑平庸性质的晶胞中心的距离为晶格常数a，拓扑平庸性质的晶胞中心到该晶胞内介质柱中心的距离R，所述介质柱截面的长轴为m、短轴为n，满足a/R＞3，m/n＝1.3，n＝0.12a；

所述拓扑非平庸结构由多层具有拓扑非平庸性质的晶胞排列组成，所述拓扑非平庸性质的晶胞由截面为椭圆形的介质柱呈C₆对称的方式排列构成，拓扑非平庸性质的晶胞的二维截面为正六边形，所述介质柱截面的长轴与晶胞边界垂直；相邻两个拓扑非平庸性质的晶胞共用一条边；所述相邻两个拓扑非平庸性质的晶胞中心的距离为晶格常数a’，拓扑非平庸性质的晶胞中心到该晶胞内介质柱中心的距离R’，所述介质柱截面的长轴为m’、短轴为n’，满足a’/R’＜3，1＜m’/n’＜1.4，n’＝0.08a～0.13a’；

且a＝a’，m＝m’，n＝n’。

进一步地，所述拓扑平庸结构、拓扑非平庸结构的晶胞的层数均为三层。

进一步地，所述介质柱材质为纯介电材料硅，其介电常数ε_d＝12。

进一步地，晶格常数a＝1μm。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的光子晶体慢光波导结构采用椭圆介质柱，材料为普通介电材料硅，生产成本低。在能带结构中第一布里渊区出现较为平缓的能带，光在该频率的传输群速度接近于0，实现了慢光传输。并且此时波导结构中同时存在传输方向相反的赝上自旋和赝下自旋模式。

2、本发明提供的光子晶体慢光波导结构中，慢光模式受到拓扑保护，局域在平庸光子晶体和非平庸光子晶体的边界处，并沿着该边界传输。