[发明专利]一种基于克尔非线性效应的光学波导器件

说明书

本发明公开了一种基于克尔非线性效应的光学波导器件，包括有谷光子晶体，所述的谷光子晶体是由克尔介质KDP晶体组成的蜂窝晶格，所述的谷光子晶体的单胞是由两种不同折射率、尺寸大小相等的介质柱构成的，两种不同介质柱的界面处产生鲁棒性边界态。通过对所述的介质柱注入强激光脉冲改变其折射率大小进而打破反演对称性，在不同的激光强度下介质柱的折射率大小不同，工作带宽不断改变。本发明利用了克尔非线性效应实现了量子谷霍尔效应并构造了谷相关的拓扑边界态，并在不同激光强度下影响工作带宽的大小，具有了动态可调的特性，设计的该器件结构简单并且性能优越。

技术领域

本发明涉及非线性的拓扑光子学技术领域，尤其涉及一种基于克尔非线性效应的光学波导器件。

背景技术

谷，一个二元自由度，在石墨烯、二维过渡金属硫族化物以及其他诸多材料中都具有研究与应用。与此同时，谷作为优秀的信息载体已经不再仅局限于电子系统，在光子学、机械与弹性波、声学等其他领域中也随处可见它的身影。在过去的拓扑光子学系统中，研究者能够打破蜂窝晶格的空间反演对称性以打开狄拉克点，从而实现光量子谷霍尔效应。此后，谷霍尔效应在等离子体、激光写入波导技术以及其他平台都吸引了研究者广泛的关注。

随着对谷的进一步研究，很多优秀的成果诸如谷相关的自旋分裂、鲁棒性的拓扑边界态等都在研究者的努力下不断的被挖掘。用量子谷霍尔效应构造的拓扑态在实际的设备制造中也具有着广泛的应用，其中就包含了基于谷光子晶体所实现的具有任意分束比例的分束器以及基于前者所构造的逻辑门设备。除此之外，光学延时器、拓扑光子路由和其他设备也同样被应用到实际生活当中。在光学非线性领域，研究者已经展开了通过利用非线性效应构造拓扑态的相关工作，如利用非线性驱动拓扑平庸的绝缘体转变成拓扑非平庸的结构。此外，利用非线性拓扑态所制备的功能器件也有着重要的意义，非线性拓扑光子学让研究者的研究成果变得更加丰富多彩。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于克尔非线性效应的光学波导器件。利用克尔介质，该物质在注入激光脉冲之后将会改变自身的折射率大小，相对于其它一般的物质而言，这种介质的折射率大小随着激光强度变化而更加敏感。也正因为如此带来了拓扑特性不同的两种谷光子晶体进而在界面处产生相应的鲁棒性拓扑边界态，研究了该拓扑边界态的相关性质，诸如单向传输等特性。与此同时，我们在理论上提出了不断改变激光脉冲的强度下，工作带隙的大小也在随之相应的变化。上述设计的波导器件不仅具有单向传输以及高效的光波传输等性能，同时还具有传输不同工作频率电磁波的可调特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于克尔非线性效应的光学波导器件，包括有谷光子晶体，所述的谷光子晶体是由克尔介质KDP晶体组成的蜂窝晶格，在未注入激光的初始状态下，谷光子晶体的单胞中的介质柱圆柱棒A和圆柱棒B直径相等，折射率相等，而当注入不同强度的激光脉冲改变介质柱的折射率时，圆柱棒A和圆柱棒B的折射率不相等，两种不同介质柱的界面处产生鲁棒性边界态，在不同的激光强度下边界态的工作带宽也是不同的，具有动态可调的特性，也因此使波导器件具有了优良传输的特性。

将非线性与拓扑结合，利用光学克尔效应实现光量子谷霍尔效应。

通过对所述的介质柱注入强激光脉冲改变其折射率大小进而打破反演对称性，在不同的激光强度下介质柱的折射率大小不同，工作带宽不断改变，导致波导的工作带宽也是在不断改变，具有动态可调的特性。

通过构造不同耦合到真空的之字形终端界面，利用仿真结果证实之字形的终端具有谷光子晶体保护性。