[發明專利]一種基于高階拓撲光子晶體的二次諧波控制器件

有效

• 申請號: 202110554846.X
• 申請日: 2021-05-21
• 公開（公告）號: CN113219584B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 郭凱;郭忠義;馬駿
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B1/00;G02F1/35;G02F1/365
• 代理公司: 合肥銘輝知識產權代理事務所(普通合伙) 34212
• 代理人: 張立榮

本發明公開了一種基于高階拓撲光子晶體的二次諧波控制器件，包括基于光量子自旋霍爾效應產生的拓撲角態諧振腔和拓撲邊界態波導，通過拓撲角態諧振腔和拓撲邊界態波導結合得到二維高階拓撲光子晶體，用于處理非線性光的流動。本發明設計出基于量子自旋霍爾效應的拓撲角態諧振腔，并證明了該諧振腔對光子的高度局域化可以顯著增強光學倍頻響應，此外設計了使倍頻二次諧波信號魯棒傳輸的拓撲邊界態波導，最終實現了由角態諧振腔增強的倍頻信號，且被增強的倍頻信號在拓撲保護邊界態波導的存在的情況下，傳輸過程中具有較低的損耗，這種設計結合了角態諧振腔和邊界態波導的優點，展示了拓撲光子器件在光通信和光計算技術等方面的潛在應用。

技術領域

本發明涉及凝聚態物理中的拓撲光子晶體技術領域，尤其涉及一種基于高階拓撲光子晶體的二次諧波控制器件。

背景技術

近十年來，拓撲光子晶體為光的控制提供了一個新的工程平臺。拓撲保護能帶包含了各種新的物理性質和光學現象，進一步促進了拓撲光子晶體領域的發展。拓撲光子學是基于凝聚態物理系統中的拓撲相提出的。盡管費米和玻色系統有著根本的不同，但在拓撲光子學中，凝聚態物理中的許多拓撲特征已經得到了實現。迄今為止，研究者們對不同光學系統中的拓撲光子學進行了研究，得到了單向傳輸、零階Landau能級等特殊的光學現象，以及拓撲激光器、拓撲光路由和拓撲全光邏輯器件等多個功能。目前拓撲光子學的研究主要集中在耦合諧振光學微腔、耦合螺旋波導、拓撲人工表面等離子體晶體、共振晶格等光學系統。

非線性光學是超構材料和光子晶體中的關鍵問題之一，因為它們使本發明能夠在亞波長尺度上操縱光與光的相互作用，并可能促進光學信息和計算技術的發展。目前為止，許多工作都集中在拓撲光子學與非線性光學的橋梁上。這些努力主要可分為兩類。一方面，多數的問題是非線性效應可能會改變高光強度下的拓撲相位。對于線性拓撲光子學，能帶拓撲可以由系統本身決定，而非線性光子晶體的帶拓撲結構則不是直觀的。Xia等人利用一維Su-Schrieffer-Heeger(SSH)證明了光與拓撲保護邊界態的非線性耦合。Maczewsky等人證明，當輸入信號強度高時，非線性會導致拓撲相變，從平凡到拓撲非平凡。然而，由于實驗條件的不同，非線性與拓撲光子學的相互作用還處于初級階段。另一方面，利用電場在拓撲狀態下的局部化和對缺陷的魯棒性，實現了非線性光信號的增強。在一個簡單的納米圓盤拓撲鋸齒陣列中，在拓撲邊界態下觀察到了三次諧波信號，證明了拓撲增強的非線性。此外，利用增強三次諧波方法，直接探測了線性遠場法無法檢測的拓撲狀態。然而，由于拓撲光子晶體中的非線性光流大多服從體邊界對應，在多維上的操縱有著明顯的局限性。

近年來，一類新型的高階拓撲光子晶體已被廣泛研究。與具有體邊界對應的拓撲光子晶體相比，高階拓撲光子晶體支持維數較低拓撲狀態，從而為本發明提供了額外的自由度來操縱光流。目前，人們已經發現二階拓撲光子晶體可以支持0維角態諧振腔，它具有高度局部化的特性，具有非輻射特性。這一特性使得角態成為激光和非線性增強的一個潛在平臺。同時，這些二階拓撲光子晶體還支持拓撲邊界態沿邊界傳輸，并具有拓撲保護。因此，對角態和邊界態的光進行處理是一個很有意義的問題，對光信息處理也有重要意義。

發明內容

基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種基于高階拓撲光子晶體的二次諧波控制器件。

本發明提出的一種基于高階拓撲光子晶體的二次諧波控制器件，包括基于光量子自旋霍爾效應產生的拓撲角態諧振腔和拓撲邊界態波導，通過拓撲角態諧振腔和拓撲邊界態波導結合得到二維高階拓撲光子晶體，用于處理非線性光的流動。

優選地，通過構造光子晶體的贗時間反演對稱性，得到高局域化場使得光子被限制在一個很小的范圍。

優選地，所述構造光子晶體的贗時間反演對稱性為構造拓撲晶體絕緣體的晶格對稱性。

優選地，所述拓撲角態諧振腔使用正三角形介質柱周期性排列，中心波長為1550nm，諧振腔Q因子高。

優選地，所述拓撲邊界態波導出現在高頻能帶上，中心波長為775nm，傳輸具有魯棒性。