带有C4杂质的拓扑谷锁定波导
学术
2024-06-27 09:00
中国香港
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图1 异质结波导的设计与能带变化
1. 导读
异质结构在谷锁定波导的设计中起着举足轻重的作用，它有助于将宽度作为一个额外的自由度进行操纵。通过这种设计，我们展示了拓扑导模从拓扑非平庸谷光子晶体的畴壁延申到平庸谷光子晶体畴壁内的过程。我们提出了一种C4杂质，通过量子谷自旋霍尔拓扑绝缘体中缺陷的谷间散射来控制拓扑谷锁定波导中的光波传输状态。通过旋转C4结构，可以控制谷锁定波导的开/关（0˚ /45˚）状态，从而有效地充当开关元件。此外，还可以根据引入的杂质设计出许多独特的应用。例如，开发具有任意输出端口的编码信道和具有增强二次汇聚功能的能量集中器。所提出的具有C4杂质的拓扑谷锁定波导将有益于片上集成光子网络。2. 研究背景
拓扑谷边界态因其无间隙色散和诱导单向传输的能力而闻名，近年来已在电子学、光子学和声学等多个领域得到广泛研究。利用体边对应的概念，谷边界态是通过使用具有相反谷陈数特征的谷光子晶体产生的。谷边界态是无间隙和拓扑谷锁定的，它们出现在具有相反谷陈数的界面上。最近，片上光子器件因其在信息处理中的低能耗和宽带宽等优势而备受关注。然而，光子器件在制造过程中不可避免的缺陷会降低其性能。拓扑光子学的出现为解决光子器件制造误差提供了方案。它已发展成为现代光子器件的一个关键平台，包括拓扑通道交叉、拓扑激光器和具有鲁棒性的片上通信。与传统波导（如脊型硅波导和矩形硅波导）中的导模不同，谷边界态通常定位在谷陈数相反的两个谷光子晶体的界面上。这种限制导致拓扑波导的宽度不可调。波导宽度的可调性为操纵导波模式和设计光子器件提供了一个自由度（DOF）。值得注意的是，具有宽度自由度的波导在与其他光子器件连接时具有很高的灵活性。为了应对上述挑战，研究人员把重点放在了拓扑波导的宽度自由度上。在过去几年中，人们利用特定的异质结构在光学和声学领域对宽度可调拓扑波导进行了研究。这些波导具有独特的宽度调节能力，在利用拓扑物理原理引导光波或声波的同时，还提供了可控性和多功能性。3. 创新研究
本文在谷拓扑波导中引入了宽度自由度，以提高操纵光波传播的灵活性。具体来说，我们利用异质结构构建了拓扑谷锁定波导。然而，拓扑谷锁定波导并非对所有类型的缺陷都具有鲁棒性。例如，在量子自旋霍尔拓扑绝缘体中，引起自旋混合的缺陷会导致反向散射，而在量子谷自旋霍尔拓扑绝缘体中，某些缺陷和拐角会引入谷间散射。对缺陷的战略性利用有助于设计光子器件来操纵光的传输。因此，我们设计了一种C4杂质，由围绕中间金属棒的四个相同金属叶片组成。通过旋转C4结构，可以控制拓扑谷锁定波导的开/关（0˚
/45˚）状态。计算得出的开关比甚至可以达到63.5 dB。![]()
图2 基于C4杂质结构的拓扑谷锁定波导传输
此外，利用杂质状态，我们创建了一个具有不同开关状态结合输入端口状态的编码通道，以实现任意端口输出信号。值得注意的是，拓扑谷锁定波导对尖角和弯曲有很好的适应性，因此即使显著减少波导宽度，也可以实现能量汇聚。这种能量汇聚结构不仅能增强电场分布，还能实现强烈的光和物质之间的相互作用，是一种灵活控制光传输的新方法。此外，在 "关闭"状态的杂质的帮助下，汇聚器还能进行二次汇聚。利用异质结构的器件在各种应用中展现出巨大的潜力，有望克服微纳制造中的困难，实现更高效、更有效的器件制造和信息处理。![]()
图3 基于拓扑谷锁定波导的编码通道
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图4 基于拓扑谷锁定波导的能量汇聚器
4. 应用与展望
研究团队提出的带有C4杂质的拓扑谷锁定波导，不仅为拓扑波导提供了额外宽度自由度，使其可以更灵活地与其他光子器件集成，而且C4杂质的引入为光路的操控带来了更丰富的变化和应用，为实现更多的片上集成器件提供了可行性。该研究成果以“Topological valley-locked waveguides with C4 impurity”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Hongxiang Zhang, Rensheng
Xie, Xiaofeng Tao, 和Jianjun Gao，其中Hongxiang Zhang为第一作者，Xiaofeng Tao和Jianjun Gao教授为共同通讯作者。
