[發明專利]一種基于二維拓撲光子晶體奇異點的光學器件及其方法

有效

• 申請號: 202210247086.2
• 申請日: 2022-03-14
• 公開（公告）號: CN114637074B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 胡小永;龔旗煌;王曉曉;丁少奇
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/13
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種基于二維拓撲光子晶體奇異點的光學器件，其特征在于，所述光學器件包括：行波模式邊界態微腔、駐波模式邊界態微腔、輸入輸出邊界態波導、連接邊界態波導和輸入輸出端口；

行波模式邊界態微腔內為六邊形的拓撲非平凡晶格，在六邊形的拓撲非平凡晶格的周圍拼接拓撲平凡晶格，在六邊形的拓撲非平凡晶格與拓撲平凡晶格的交界面形成零維的行波模式邊界態微腔；拓撲平凡晶格的外邊緣的形狀為矩形，矩形的一對平行的邊與六邊形的其中一對平行的邊互相平行；六邊形的拓撲非平凡晶格的上邊緣和下邊緣分別與矩形的拓撲平凡晶格的上邊緣和下邊緣有距離且距離相等；駐波模式邊界態微腔內為六邊形的拓撲平凡晶格，在六邊形的拓撲平凡晶格的周圍拼接拓撲非平凡晶格，在六邊形的拓撲平凡晶格與拓撲非平凡晶格的交界面形成零維的駐波模式邊界態微腔；拓撲非平凡晶格的外邊緣的形狀為矩形，矩形的一對平行的邊與六邊形的其中一對平行的邊互相平行；六邊形的拓撲平凡晶格的上邊緣與矩形的拓撲非平凡晶格的上邊緣有距離；行波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲非平凡晶格位于矩形的拓撲平凡晶格的一側，駐波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲平凡晶格位于矩形的拓撲非平凡晶格的另一側，即行波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲非平凡晶格與駐波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲平凡晶格之間具有橫向距離；行波模式邊界態微腔在上且駐波模式邊界態微腔在下，行波模式邊界態微腔外邊緣的矩形的拓撲平凡晶格下邊緣與駐波模式邊界態微腔外邊緣的矩形的拓撲非平凡晶格上邊緣拼接，矩形的拓撲平凡晶格與拓撲非平凡晶格交界面形成一維的連接邊界態波導；行波模式邊界態微腔外邊緣的矩形的拓撲平凡晶格上邊緣拼接矩形的拓撲非平凡晶格，交界面形成一維的輸入輸出邊界態波導；輸入輸出邊界態波導和連接邊界態波導上光子的傳輸方向是與贗自旋方向鎖定的，即輸入輸出邊界態波導和連接邊界態波導上具有贗自旋的光子的傳輸方向由贗自旋方向決定，贗自旋方向改變傳輸方向改變；在輸入輸出邊界態波導與行波模式邊界態微腔的六邊形的拓撲非平凡晶格相對的一端設置輸入輸出端口；當輸入贗自旋方向向上的光子，行波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲非平凡晶格位于矩形的拓撲平凡晶格的右側，輸入輸出端口位于輸入輸出邊界態波導的左端，駐波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲平凡晶格位于矩形的拓撲非平凡晶格的左側；反之，當輸入贗自旋方向向下的光子，行波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲非平凡晶格位于矩形的拓撲平凡晶格的左側，輸入輸出端口位于輸入輸出邊界態波導的右端，駐波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲平凡晶格位于矩形的拓撲非平凡晶格的右側；

行波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲非平凡晶格的邊長小于駐波模式邊界態微腔內的六邊形的拓撲平凡晶格邊長，使得行波模式邊界態微腔和駐波模式邊界態微腔的一個特征頻率相等，即為二者的共同特征頻率，在共同特征頻率下，行波模式邊界態微腔位于行波模式，行波模式是兩個簡并的頻率，同時支持順時針方向和逆時針方向傳輸的兩種贗自旋的光子；駐波模式邊界態微腔位于駐波模式，駐波模式是兩個劈裂的頻率，由六邊形的駐波模式邊界態微腔的六個120°夾角引起，能流垂直于駐波模式邊界態微腔向外發射，使光子的贗自旋發生反轉，實現反射的功能；

共同特征頻率的贗自旋方向向上的光，從輸入輸出端口入射，沿輸入輸出邊界態波導向右傳輸，耦合進入行波模式邊界態微腔并沿行波模式邊界態微腔逆時針方向傳輸，經行波模式邊界態微腔耦合到連接邊界態波導，贗自旋方向沒有改變，沿著與原來贗自旋方向鎖定的方向在連接邊界態波導上向左傳輸，耦合至駐波模式邊界態微腔，經過駐波模式邊界態微腔使得贗自旋方向發生反轉，即贗自旋方向由向上變為向下；光再耦合至連接邊界態波導，沿著連接邊界態波導反向向右傳輸，反向耦合到行波模式邊界態微腔并沿行波模式邊界態微腔順時針方向傳輸，從行波模式邊界態微腔耦合到輸入輸出邊界態波導反向向左傳輸，最終從輸入輸出端口輸出；同樣，共同特征頻率的贗自旋方向向下的光，從輸入輸出端口入射，沿輸入輸出邊界態波導向左傳輸，耦合進入行波模式邊界態微腔并沿行波模式邊界態微腔順時針方向傳輸，經行波模式邊界態微腔耦合到連接邊界態波導，贗自旋方向沒有改變，沿著與原來贗自旋方向鎖定的方向在連接邊界態波導上向右傳輸，耦合至駐波模式邊界態微腔，經過駐波模式邊界態微腔使得贗自旋方向發生反轉，即贗自旋方向由向下變為向上；光再耦合至連接邊界態波導，沿著連接邊界態波導反向向左傳輸，反向耦合到行波模式邊界態微腔并沿行波模式邊界態微腔逆時針方向傳輸，從行波模式邊界態微腔耦合到輸入輸出邊界態波導反向向右傳輸，最終從輸入輸出端口輸出。