[发明专利]一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件及其实现方法

权利要求书

1.一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件，其特征在于，所述基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件包括：衬底、α构型拓扑光子晶体、β构型拓扑光子晶体、激发光和泵浦光；其中，在基底上形成一维的α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体，α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体的二维边界尺寸相同；

在基底上生长二维均匀分布的柱体，柱体的横截面的形状为中心对称的形状，柱体包括正常柱体和缺陷柱体，缺陷柱体的横截面尺寸大于正常柱体的横截面尺寸，缺陷柱体构成缺陷腔；缺陷腔成对出现，一对缺陷腔构成一个缺陷单元；缺陷单元内的两个缺陷腔之间以及相邻的两个缺陷单元之间至少存在一个正常柱体且少于三个正常柱体，相邻的缺陷单元之间的距离相等；缺陷单元内的一对缺陷腔斜向分布，即一对缺陷腔不位于二维均匀分布的柱体的同一行或同一列上，构成α构型拓扑光子晶体，在α构型拓扑光子晶体中，相邻的缺陷单元关于镜像对称分布；缺陷单元内的一对缺陷腔横向分布，即一对缺陷腔位于二维均匀分布的柱体的同一行上，构成β构型拓扑光子晶体，在β构型拓扑光子晶体中，相邻的缺陷单元分列β构型拓扑光子晶体的中心线的上下两侧且距离中心线的距离相等；α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体沿行的方向进行拼接，拼接处相邻的两列柱体之间的距离等于晶格常数；在共振时，缺陷单元内部发生相互作用的耦合强度小于单元之间的耦合强度，构成SSH模型，从而α构型拓扑光子晶体或β构型拓扑光子晶体产生局域边界态，即光场局域在α构型拓扑光子晶体或β构型拓扑光子晶体的最两端的缺陷腔上；α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体对应的共振波长不同，激发光垂直照射到α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体表面，当发生水平模式共振时，即激发光的波长为α构型拓扑光子晶体的共振波长时，α构型拓扑光子晶体发生共振，状态为拓扑非平凡晶体，产生局域边界态，此时，β构型拓扑光子晶体没有发生共振，状态为拓扑平凡晶体；同样，当发生对角模式共振时，即激发光的波长为β构型拓扑光子晶体的共振波长时，β构型拓扑光子晶体发生共振，状态为拓扑非平凡晶体，产生局域边界态，此时，α构型拓扑光子晶体没有发生共振，状态为拓扑平凡晶体；从而实现通过激发光激发产生拓扑非平凡晶体；发生水平模式共振即α构型拓扑光子晶体产生局域边界态且β构型拓扑光子晶体处于拓扑平凡晶体时，或者发生对角模式共振即α构型拓扑光子晶体处于拓扑平凡晶体且β构型拓扑光子晶体产生局域边界态时，二者拼接处有光场；

进一步，正常柱体和缺陷柱体的材料采用非线性材料，具有三阶非线性的光克尔效应，即材料的等效折射率线性地随泵浦光的强度变化；泵浦光垂直照射到α构型拓扑光子晶体时，α构型拓扑光子晶体的等效折射率改变，从而共振波长改变，使得α构型拓扑光子晶体在拓扑非平凡晶体与拓扑平凡晶体之间转换；反之，泵浦光垂直照射到β构型拓扑光子晶体时，β构型拓扑光子晶体的等效折射率改变，从而共振波长改变，使得β构型拓扑光子晶体在拓扑非平凡晶体与拓扑平凡晶体之间转换；

激发光垂直照射发生水平模式共振或对角模式共振；以α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体是否有泵浦光照射作为输入信号，以α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体的拼接处有无光场作为输出信号，从而实现逻辑转换。