[发明专利]一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构

说明书

本发明属于量子光学材料技术领域，公开了一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，包括hBN基底，所述hBN基底上刻蚀有多个三角形的空气孔；以光入射方向为界，位于hBN基底一侧的多个三角形空气孔呈三角晶格周期性排列形成第一能谷光子晶体结构，位于hBN基底另一侧的多个三角形空气孔呈三角晶格周期性排列形成第二能谷光子晶体结构，第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构的晶格方向平行于光入射方向，且第一能谷光子晶体结构和第二能谷光子晶体结构中的空气孔对向错位设置，在交界处形成拓扑光波导。本发明可以实现可见光波段RCP/LCP光波单向传输，为设计可见光波单向传输设备开辟了新的可能性，并将在光通信和量子光学中找到广泛的应用。

技术领域

本发明属于量子光学技术领域，具体属于光量子通信领域，具体涉及一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构。

背景技术

在光通信领域中，光量子技术微型化和集成化是光通信的发展趋势，这就要求光子器件在光子芯片中高度集成。而可集成、高性能的单向光传输器件作为集成光子芯片中的关键元件不可或缺。单向光传输器件能传输一个方向的光子，阻挡反方向传输的光子，起着保持逻辑回路稳定性的作用。而高性能的单向光传输器件，需要满足高正向透射率；高透射对比度；尺寸小可集成；宽工作带宽等条件。

拓扑光子晶体由于能实现高效率、低损耗的单向传输而备受关注。其中光量子谷霍尔效应实现的能谷光子晶体（Valley photonic crystal，VPC），通常使用与光子兼容的介电材料或半导体材料，通过降低系统的对称性，破坏狄拉克锥状色散产生带隙，发生拓扑相变。2019年，Shalaev等（Robust topologically protected transport in photoniccrystals at telecommunication wavelengths. Nature Nanotechnology, 2019, 14,31-34）结合平面硅三角孔形光子晶体的特性和拓扑保护的概念，在实验上制造了光通信波段的光学拓扑绝缘体，实现了谷霍尔效应和高效率单向传输。但是许多拓扑光子学结构需要复杂的几何设计难以加工，而且目前的材料还无法工作在可见光波段，因此在可见波长范围内设计谷光子晶体仍具有一定的挑战性。

Peng等（Probing the band structure of topological silicon photoniclattices in the visible spectrum, Physical Review Letter, 2019, 122 (11),117401）研究设计和制造了硅材料二维六角晶格光子晶体在可见光谱范围具有拓扑带结构的谐振器，但在可见光波长范围内硅损耗增加，很难实现可见光的高效单向传输。因此，寻找新的材料设计工作在可见光区域的单向传输器件是研究新型集成光子芯片的一大发展趋势。

二维六方氮化硼（hexagonal Boron Nitride，hBN）拥有许多独特的特性，包括高的机械强度、良好的导热性、出色的化学和热稳定性。已有报道，Sejeong Kim等（Photoniccrystal cavities from hexagonal boron nitride, Nature Communications,2018,9,2623）设计了独立式二维hBN光子晶体腔的品质因子达到2000以上，可用于在室温下超亮且可见光稳定的量子单光子光源，这证实了实验制造在可见光至近红外波段工作的hBN光子晶体结构的可行性。而且二维hBN是一种在可见光波段内吸收很低的电介质材料，且折射率相对较大（~2.4）；hBN本身的量子单光子光源可与能谷光子晶体配合连接。因此，应用独立式hBN结构是一种可行的解决方案，便于光子芯片的集成，谷光子晶体的单向耦合传输的实现对hBN量子光学平台的发展有着潜在的应用价值。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种二维六方氮化硼能谷光子晶体单向光传输结构，以实现高效可见光波单向传输。