一种基于拓扑旋磁光子晶体单向大面积T-型波导分束器

摘要

本发明提出了一种基于拓扑旋磁光子晶体单向大面积T‑型波导分束器，包括光源、正磁场区域、负向磁场区域和无磁场区域，无磁场区域为十字形区域，正向磁场区域位于无磁场区域左下部分与右上部分，负向磁场区域位于无磁场区域的左上部分与右下部分，光源位于无磁场区域左侧。本发明成功地设计了一款单向、大面积、高效率、大带宽的微纳波导分束器，在集成光路中实现高效转换。与现有基于拓扑光子晶体实现的微纳光波导器件相比，它不受拓扑界面宽度影响，具有大面积、大容量、可协调等信息传输的优点，可满足不断高度集成化光子芯片的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及拓扑光子学，量子通信及集成光子光路领域，具体是一种基于拓扑旋磁光子晶体单向大面积T-型波导分束器的设计。

背景技术

基于拓扑旋磁光子晶体波导光子器件在拓扑光子学，量子通信及集成光子光路领域具有不可估量的应用前景。目前，随着6G时代的到来，对光电通信系统的要求越来越高，尤其是全光网络通信。集成光子光路不断向大容量、高效率、微型化的方向发展。因此，低成本、高效率、多功能的微型光器件被不断研究和开发。

1988年，美国的University of California的Haldane教授首次提出在非朗道能级的动量空间存在一种奇异的量子霍尔态(Model for a Quantum Hall Eff'ect withoutLandau Levels:Condensed-Matter Realization of the"Parity Anomaly")。

2008年，美国MIT的Zheng Wang小组设计一种基于旋磁材料构建的单向边界波导传输模式(Reflection-Free One-Way Edge Modes in a Gyromagnetic PhotonicCrystal)，并于2009年在实验上首次观察到抗背向散射的单向边界传输波导模式(Observation of unidirectional backscattering-immune topologicalelectromagnetic states)。此后，基于磁光光子晶体构建的波导光器件被不断地研发。

2011年，国内南京大学蒲殷等人在实验室首次观察到蜂窝状磁光光子晶体的自导性单向传输特性(Experimental Realization of Self-Guiding UnidirectionalElectromagnetic Edge States)。2021年，国内武汉大学王幕迪等人在实验室构建并观察到一种基于拓扑磁光光子晶体单向大面积波导态(Topological One-Way Large-AreaWaveguide States in Magnetic Photonic Crystals)。这种单向大面积波导态不仅具有鲁棒性、缺陷免疫，抗背向散射等突出传播特性，还具备不受拓扑界面宽度影响，可以实现大面积的波导传输。

近些年，各种微纳波导光子器件被研发出来，比如光隔离器、光耦合器、波导分束器、光存储器等。特别是基于传统方法研发波导分束器，其传输容量及界面宽度都受到很大的限制，难以满足日益增长的通信需求。

发明内容

针对传统波导分束器传输容量小、传输宽度窄的技术问题，本发明提出一种基于拓扑旋磁光子晶体单向大面积T-型波导分束器，实现大面积、大容量、大带宽的波导传输和分束，在集成光路中实现高效转换。与现有基于拓扑光子晶体实现的微纳光波导器件相比，它不受拓扑界面宽度影响，且可协调等优点，可满足不断高度集成化光子芯片的要求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于拓扑旋磁光子晶体单向大面积T-型波导分束器，其特征在于：包括光源、正向磁场区域、负向磁场区域和无磁场区域，无磁场区域为十字形区域，正向磁场区域关于无磁场区域中心对称，正向磁场区域位于无磁场区域左下部分与右上部分，关于无磁场区域中心对称，负向磁场区域位于无磁场区域的左上部分与右下部分，光源位于无磁场区域内。

所述光源为线性偏振源，以分束器左下角为原点，光源坐标为(3.5a，12H)，其中，

所述正向磁场区域与无磁场区域交界面为磁场旋磁光子晶体界面Ⅰ，负向磁场区域与无磁场区域交界面为磁场旋磁光子晶体界面Ⅱ；正向磁场区域、负向磁场区域与无磁场区域均由YIG介质圆柱构成其半径为0.125a、高度为a、常温下空气折射率为1。

所述正向磁场区域包括多个沿着+z方向添加偏置磁场的YIG介质柱I，沿着+z方向添加偏置磁场的YIG介质柱的相对介电常数为13.8、相对磁导率为

所述负向磁场区域包括多个沿着-z方向添加偏置磁场的YIG介质柱，沿着-z方向添加偏置磁场的YIG介质柱II相对介电常数为13.8、相对磁导率为

所述无磁场区域包括多个无添加磁场的YIG介质柱III；无添加磁场的YIG介质柱的相对介电常数为13.8、相对磁导率为μ

没有添加磁场时，YIG介质圆柱可看成普通光子晶体，光子晶体的能带结构中第二条光子能带与第三条能带发生简并，在第一布里渊区中矢空间中K点处出现Dirac point；YIG介质圆柱在沿着-z/+z方向添加偏置磁场时，YIG介质圆柱看成磁光光子晶体；若在外加偏置磁场情况下，磁光光子晶体的时间反演对称性被打破，将原本在第一布里渊区波矢空间中K点的Dirac point打开，在第二条光子能带与第三条能带中间发生分离，形成一个非零陈数的光子带隙，形成基于拓扑旋磁光子晶体单向大面积T-型分束波导。

本发明一种基于拓扑旋磁光子晶体单向大面积T-型波导分束器，基于用旋磁材料钇铁石榴石(YIG)圆柱棒组建拓扑磁光光子晶体，构建出一种用添加相反方向磁场的磁光光子晶体域包夹没有添加磁场旋磁光子晶体域。基于磁光效应，磁光光子晶体系统的时间反演对称性被打破，在非零陈数带隙中，电磁波表现出非互易传输特性。本发明中，在没有被添加旋磁光子晶体域中出现单向大面积波导传输与分束。本发明成功地设计了一款单向、大面积、高效率、大带宽的微纳波导分束器，该设计可用于实现大容量、集成化、可调控的波导分束器的设计，用于集成光路中实现多功能转换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施案例的整体结构示意图。

图2为本发明中单向大面积T-型波导分束器的能带图。

图3(a)为本发明中单向大面积T-型波导分束器的电场分布图。

图3(b)为本发明中单向大面积T-型波导分束器的的波印廷矢量。

图4为本发明实施案例中单向大面积T-型波导分束器中不同位置点沿着Y-方向传播的归一化能量分布。

图5为本发明实施案例中单向大面积T-型波导分束器传输距离为20a正反向传输损耗光谱图。

图中，1为光源，2为沿着+z方向添加偏置磁场的YIG介质柱，3为沿着-z方向添加偏置磁场的YIG介质柱，4为无添加磁场的YIG介质柱，5为磁场旋磁光子晶体界面Ⅰ，6为磁场旋磁光子晶体界面Ⅱ，7为负向磁场区域，8为无磁场区域，9为正向磁场区域，10为X＝7处的二维切线，11为X＝17处的二维切线，12为X＝27处的二维切线，13为用于计算光子能带色散曲线超胞结构，14为拓扑三角晶格结构，15为晶格常数a，16为晶格单元，17为三角晶格第一布里渊区结构分布，A、B、C、D表示波导传输端口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于拓扑旋磁光子晶体单向大面积T-型波导分束器，包括光源1、正向磁场区域9、负向磁场区域7和无磁场区域8，无磁场区域8为十字形区域，正向磁场区域9位于无磁场区域8左下部分与右上部分，负向磁场区域7位于无磁场区域8的左上部分与右下部分，光源1位于无磁场区域8左侧。其中，光源1为线性光源，以分束器左下角为原点，光源1坐标为(3.5a，12H)。负向磁场区域7为由沿着-z方向添加偏置磁场的旋磁光子晶体单个介质柱所构建的区域，用H-表示，无磁场区域8为没有添加磁场的旋磁光子晶体单个介质柱所构建的区域,用H＝0表示，正向磁场区域9为沿着+z方向添加偏置磁场的旋磁光子晶体单个介质柱所构建的区域，用H+表示。正向磁场区域9由沿着+z方向添加偏置磁场的YIG介质柱2组成，沿着+z方向添加偏置磁场的YIG介质柱2的相对介电常数为13.8，相对磁导率为

在没有添加磁场时，光子晶体能带结构中第二条光子能带与第三条能带发生简并，在第一布里渊区中波矢空间中K点处出现Dirac point；YIG介质圆柱在沿着-z/+z方向添加偏置磁场时，YIG介质圆柱看成磁光光子晶体；若在外加偏置磁场情况下，磁光光子晶体的时间反演对称性被打破，将原本在第一布里渊区波矢空间中K点的Dirac point打开，在第二条光子能带与第三条能带中间发生分离，形成一个非零陈数的光子带隙。在这非零陈数禁带中，出现电磁波的单向传输。本发明设计的单向大面积T-型波导分束就是在这样的非零陈数的光子带隙中产生的。

如图2所示，通过计算结构超胞13(a×24H)得到了单向大面积T-型波导分束器的投影波矢Kx方向一个晶格周期内的能带图，图中的阴影面积表示本发明所提出的波导分束器的工作带宽为0.6073c/a-0.6653c/a，其中c表示真空中的光速，图中曲线表示光子能带色散曲线。

如图3所示，在图2阴影面积中任意取两条曲线上频率即可得到拓扑旋磁光子晶体单向大面积T-型波导分束器的电场能量分布情况及相对应波印廷矢量，其中对应光源的激励频率0.62805c/a。由图3可知，本发明所提出的波导分束器实现了单向大面积T-型波导分束功能。

如图4所示，为了定量研究单向大面积T-型波导分束器的传输特性，用X＝7处的二维切线10、X＝17处的二维切线11和X＝27处的二维切线分别测量和计算出X轴沿着Y轴传播的归一化能量的分布。图4表明，当在波导分束器的端口A通道波导正向传输，端口B通道波导截止，端口C通道、端口D通道分别获得总能量的50％。这说明本发明设计实现了波导一分为二的分束功能、单向传输、大面积、高效等突出特性。

如图5所示，用S-parameter法计算量波导分束器的传输距离20a正、反向的传输损耗光谱。其中浅灰色阴影宽度与图2中阴影面积基本相同，均为0.6073c/a-0.6653c/a，浅灰色阴影表示单向大面积T-型波导分束器工作带宽，深灰色阴影面积的宽度为最佳工作带宽为0.616c/a-0.6401c/a，在该区域的正反向传输的损耗差较大，损耗达到40dB以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。