[发明专利]一种实现任意形状微波拓扑环形腔的方法

说明书

本发明提供了一种实现任意形状微波拓扑环形腔的方法。所述方法利用磁光材料制得平板结构，在平板结构中利用空气柱来构建蜂窝晶格磁光光子晶体平板结构，使得在蜂窝状磁光光子晶体的锯齿状边缘和扶手椅边缘都能够激发拓扑边界态，这种单向边界态具有很强的鲁棒性，在传输过程中能够绕过缺陷进行传输而不产生后向散射，并且能够绕过尖锐拐角进行传输。利用此特性来实现任意形状的微波拓扑环形腔，这为开发任意几何形状的复杂拓扑电路提供了一种实现方式。

技术领域

本发明属于微波光学、拓扑光子学、磁光光子晶体领域，特别涉及一种利用蜂窝状磁光光子晶体平板单向边界态实现任意形状微波拓扑环形腔的方法。

背景技术

光子晶体的概念最早是在1987年由Yabnolovitch和John提出的，它是一种介电常数在空间周期性排列的人工微结构材料，它的主要特征是使在此类材料中传播的光波具有能带结构，特别是具有光子禁带(Photonic Band Gap，PBG)，即频率位于禁带的光波不能在光子晶体中传播。通过在光子晶体中引入线缺陷，形成光子晶体波导，可以实现光波的低损耗传输。基于光子晶体波导的各种光电器件，具有体积小、集成度高等优点。

品质因子高、尺寸小到与光波波长相比的光学微型谐振腔叫做光子晶体微型腔。光子晶体微型腔的品质因子Q值可以通过设计结构参数达到很高的值，这是其他传统的金属谐振腔无法比拟的。从光子晶体周期结构中去掉一个空气孔，引入一个点缺陷，这首次形成了光子晶体微腔，对光起到了良好的局域作用。从此对光子晶体微腔展开了广泛的特性分析及应用研究，人们开始研究出不同类型的光子晶体微腔，并对已有的微腔进行不断地优化设计，应用到不同的光子设备。

20世纪80年代，光纤环形谐振腔开始在光通讯领域得到广泛的应用。后来，Haus和Little等人提出了把环形腔和两个总线波导相耦合的结构。这种双波导与环形腔相耦合的结构能够起到滤波的作用。环形腔结构与FP腔结构相同，它们的频谱都具有周期性的梳状滤波响应，但环形腔结构比FP腔结构存在优越的地方在于：它的滤波特性在波分复用技术和全光路由方面具有很大潜力。光子晶体环形腔相比于光子晶体微型腔、FP腔还具有尺度变化范围大、结构设计灵活等优点，能够根据使用情况进行灵活设计，它在广集成无源器件中的应用前景广阔。Tameh T.A.等人和R.Robinsoii等人分别在2010年、2011年提出了光子晶体环形腔，前者将环形腔构成了光子晶体带通滤波器，应用在波分复用系统、光集成电路与传感器上，而后者基于非线性效应将光子晶体环形腔构造成光开关，该开关体积小、工作功率低。授权公告号为CN 1156063C的专利公开了一种光子晶体微腔结构，它利用在二维光子晶体中引入一个点缺陷来构成微腔。这种光子晶体微腔结构可以得到较大的能量转换效率和较大的Q值，但是它的能量泄漏仍然不小，品质因子Q没有达到最大，存储能量有限。其它一些文献通过增加或减小介质棒的大小来形成点缺陷，或者移动点缺陷周围介质棒的位置来改变点缺陷的大小，以此提高微腔的性能。但这些都是基于单个或多个点缺陷形成的微腔,存储能量都很有限。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种新型的基于磁光光子晶体平板的实现任意形状微波拓扑环形腔的方法，与传统光子晶体结构相比，平板结构可以更为方便地进行操作，并且能够根据需要得到任意形状的环形腔，为开发任意几何形状的复杂拓扑电路提供了一种实现方式。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种实现任意形状微波拓扑环形腔的方法，所述方法包括以下步骤：

以磁光材料为背景，利用磁光材料制得平板结构，在平板结构中利用空气柱来构建蜂窝晶格磁光光子晶体平板结构，并将磁光光子晶体平板结构放置在两金属板之间，两金属板沿空气孔的高度方向分布，当沿空气柱的高度方向施加直流磁场时，在外加磁场的作用下磁光光子晶体平板结构的锯齿状边缘和扶手椅边缘都能够激发拓扑边界态，其中，通过磁光光子晶体平板结构的投影能带结构绘制本征场图及激发场图，可以观察到平板锯齿状边缘和扶手椅边缘都能够激发拓扑边界态，并且呈手性传播；