[发明专利]一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其方法

说明书

本发明公开了一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其方法。本发明通过将单层TMD材料与拓扑光子晶体体系结合构成异质结复合体系，实现了激子的谷极化信息与光子拓扑态之间的信息转换，解决了谷极化信息寿命过短难以直接利用的问题，降低了对单层TMD材料中电子的谷极化信息的利用要求；本发明提出的对于电子的谷极化信息与光子拓扑态信息的转换体系，能够用于集成光电子芯片，作为光电信息转换的平台；针对不同的单层TMD材料的荧光发射波长不同，选择相应禁带的二维拓扑光子晶体，并对二维拓扑光子晶体的结构进行线性的缩放即可完成调整，节省了同类型器件的设计优化时间。

技术领域

本发明涉及谷极化信息转换技术，具体涉及一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其转换方法。

背景技术

与自旋电子学利用电子的自旋自由度进行信息编码类似，谷电子学主要是利用过渡金属硫属化合物(TMD)在倒空间中的能谷自由度来实现信息的编码和处理。单层的TMD材料在倒空间里具有由能量简并的能谷(K和K’)构成的直接带隙，且基于能谷的选择定则决定了当左旋或右旋圆偏振光入射时，K或K’谷的电子被选择性地激发后跃迁到导带，和空穴形成谷极化激子，随后电子向下跃迁到价带与空穴复合，进而产生特定圆偏振的荧光发射。由此，能谷自由度可以被用作信息编码的基础，但是谷极化激子的寿命通常很短(10ps)，极大的限制了谷极化信息的传输和处理。与谷极化激子相比，光子是更为理想的信息载体，不仅光与物质的相互作用更弱，信息传输与处理的速率也更快。因此，将单层TMD中的谷极化信息转换为光信号，再进行后续的传输和信息处理是一种可行的方案。这种电信号与光信号之间的转换要求光学系统能够和二维TMD材料构成复合体系，并且对于左旋圆偏振模式和右旋圆偏振模式有完全不同的光学响应。由等离激元纳米结构构成的超构材料作为一种人工材料，可以在外加光场耦合作用下引起表面电子的集体振荡，从而增强近场的电磁响应。手性纳米超构材料对于特定的圆偏振光具有高的耦合效率，而对相反的圆偏振光则耦合较弱，由此与单层TMD材料构成的异质结可以近场增强特定的圆偏振光的荧光强度。由于这种超构材料仅能对某一种特定的圆偏振光具有响应，且光信号无法在面内传输，不利于对TMD材料中谷极化信息的有效利用和后续的光信息处理。金属纳米线的等离激元传输模式具有特殊的倏逝场模式，这种模式与圆偏振光具有相同的自旋，因此可以与二维TMD材料构成异质结，实现TMD中谷极化信息与等离激元传输模式的转换。但是由于这种倏逝场的传输方向除了与光的偏振有关以外，还严格依赖于激发光与纳米线的相对位置，因此对于器件加工的要求比较高，同时金属表面等离激元的传输距离很短，不利于在器件中的应用。

光子晶体体系是构建集成微纳光学器件的重要平台，利用光子晶体的能带和禁带特性可以控制光在器件中的传输。频率位于光子晶体禁带中的光无法在光子晶体体内传输，因而将被限制在体系的边界或缺陷处，由此可以构建拓扑边界态或缺陷态波导等器件。在介质材料中构建光子晶体线缺陷波导可以显著降低传输损耗并有利于后续光学信息的处理，但是在这种线缺陷波导与二维TMD材料构成的异质结中同样需要精确控制激发光与波导的相对位置以实现对特定光学模式的有效耦合。此外，由于微纳加工精度的局限性，器件中的缺陷和杂质将会引起光的强烈的背向散射，从而严重影响器件性能。另一方面，光子晶体线缺陷波导不能适应大角度的弯折，也限制了其在光信息处理器件中的应用。

二维TMD材料中电子的能谷自由度可以被用于信息编码和信息处理，但是这种谷极化激子的寿命太短，不利于对谷极化信息的传输和处理。谷极化激子会辐射出具有圆偏振性的光子，将其耦合至光学系统中可以实现信息的转化，但普通光学体系对于圆偏振光的耦合难度高、效率低。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件及其转换方法。

本发明的一个目的在于提出一种激子谷极化与光子拓扑态间的信息转换器件。