[发明专利]基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法。本发明包括零维的边界态微腔以及两个一维的边界态波导，边界态波导具有光子的赝自旋锁定，边界态微腔的特征频率包括行波模式和驻波模式，边界态波导与边界态微腔发生行波模式耦合，赝自旋不变，发生驻波模式耦合，赝自旋反向，通过控制背景材料的折射率控制特定的特征频率下的模式，从而实现模式切换并控制传输路径；本发明通过将相变材料与拓扑光子晶体结合，实现了光子赝自旋自由度的动态可逆调控，解决了可调控性与拓扑的鲁棒性这两者间的矛盾；本发明用作集成光电子芯片，作为调控光信息传输的平台，构建了光通讯波段具有拓扑保护性质的高性能集成光电子器件。

技术领域

本发明涉及微纳光学技术，具体涉及一种基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及其实现方法。

背景技术

二维光子晶体体系是微纳光子学的重要平台，其周期性结构对入射电磁波的调制作用产生光子带隙，频率位于光子晶体带隙中的光无法传输，将被限制在体系的边界或缺陷处，由此可以构建边界态或缺陷态波导和微腔等器件。在微纳加工中受限于制造精度，器件中的缺陷和杂质将会引起光的背向散射，制约了器件性能。另一方面，光子晶体线缺陷波导在大角度弯折的情况下产生严重的散射，限制了其在光信息处理器件中的应用。在倒空间具有特殊拓扑能带的光子晶体，也称光子拓扑绝缘体，特殊的拓扑保护性保证了严格的单向传输性，即使在波导大角度弯折的情况下也具有很强的鲁棒性，且具有局部缺陷和杂质免疫的性质。拓扑光子边界态的保护性可以使器件的性能得到极大提升，因此在集成光子器件领域具有巨大的应用前景。然而，在可见光及近红外通讯波段对于拓扑光子器件的调控能力非常有限。利用非线性效应同时引起能带移动和拓扑零维边界态特征频率模式切换可以实现对拓扑性质的动态调控，成功地解决了拓扑保护性和动态可调性之间的矛盾。

硫系玻璃Ge₂₃Sb₇S₇₀在红外波段具有宽透明波段窗口，具有化学稳定性好、热稳定性好、能低温沉积的特点，能在晶态和非晶态之间进行快速可逆的切换，拥有优异的折射率温度系数(dn/dT)性能，具有非易失性，可用于可重构、可编码的有源光子集成器件。此外有利于提高光子器件的效率和集成度。利用硫系玻璃Ge₂₃Sb₇S₇₀，通过改变外加温度改变材料的状态，进而改变折射率实现连续可逆可调。

拓扑光子边界态的保护性可以使器件的性能得到极大提升，因此在集成光子器件领域具有巨大的应用前景。然而，在可见光及近红外通讯波段对拓扑光子器件的调控能力非常有限，拓扑保护性和动态可调性之间的矛盾无法解决。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件及其实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件。

本发明的基于非线性调控的二维拓扑光子路由器件包括：两个边界态波导、边界态微腔、输入波导和输出波导；其中，中心为六边形的拓扑平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格的周围拼接拓扑非平凡晶格，在六边形的拓扑平凡晶格与拓扑非平凡晶格的交界面形成零维的边界态微腔；拓扑非平凡晶格外边缘的形状为矩形，矩形的一对平行的边与六边形的其中一对平行的边互相平行，矩形的拓扑非平凡晶格的一对平行的边上分别拼接拓扑平凡晶格，矩形的拓扑非平凡晶格与拓扑平凡晶格交界面形成两个一维的边界态波导；在一个边界态波导的两端分别设置输入波导，在另一个边界态波导的两端分别设置输出波导；