基于拓扑性实现光波单向传输的光子晶体结构研究

The realization of photonic quantum computeration will greatly promote social progress. In the field of electric computation, diode plays an important role in the construction of logic circuit. Therefore, the design of photonic diode is also an important subject in photonic logic circuits. Currently, the topological properties of meta material has become a topic in recent years. In the field of photonic crystals, there is a similar "topological insulator" structure, which can transfer photons on the edge while keeping the body to be ‘insulated’. This project intends to put forward a new design to realize the one-way transfer for photons using photonic topological properties. In such structures, photons are intended to be injected in the inner waveguides. The photons may transfer through several waveguides to the edge waveguide because of topological properties. While if the photons are injected in the edge waveguide, they may not be able to transfer into the inner waveguides, which leads to the aim of one-way transfer. Simulating and analyzing the one-way transfer properties of such photonic crystal theoretically is the main method of this project. We will try different materials and simulate the forward and backward transmission properties to analyze the one-way transfer efficiency. Meanwhile, we will try to find some cooperative partners to make some samples experimentally, and test the one-way transfer efficiency. Our work will provide a new solution for the realization of integrated photon diode.

实现光量子计算将对社会发展产生重大的促进作用。在电子计算机领域，二极管对于逻辑电路的构成具有非常重要的作用。相应的，光子的二极管设计也是实现光逻辑电路的一项重要课题。在光子晶体领域，存在着类似于量子系统“拓扑绝缘体”的结构，具有边缘导光，体内阻光的性质。本项目拟提出一种利用光子拓扑性实现光单向传导的设计思路，在具有拓扑性的光子晶体结构中，将光从晶体内部波导注入，通过适当选取注入波导的位置，利用绝热泵浦以及光子隧穿等性质使光从边缘导出；而将光从晶体边缘波导注入的反向过程中由于拓扑性的保护，光将无法隧穿进入体内波导，从而实现光的单向传导。在理论上，通过分析材料的选取，计算基于此二极管的适用光谱范围以及正反方向的透射比等数据，分析此类光二极管的传输效率；实验上，利用激光刻蚀技术制作样品，验证二极管的传输效率，为集成化光子二极管的实现提供一种新的方案。

本项目基于当今微纳光学结构研究与器件设计蓬勃发展的科研背景下，对拓扑光二极管结构尝试进行了探索与突破，主要取得了如下成果：.一、确定了一维准周期结构光子晶体在光波满足特定条件（即每一单元膜厚的光学厚度相等且均等于目标波长的四分之一）时，基于频率的透射谱会呈现对称性结构，这一特点属于准周期光子晶体的特有性质，对研究准晶结构的性质具有一定的意义，对于一些特殊要求的滤波器的设计也具有一定的参考价值。.二、提出了一种带有权重基于光程补偿的方式实现对光子晶体滤波器的滤波修正的方法，通过这样的方法在制作一维光子晶体滤波器的过程中可以尝试对主要滤波波长进行误差修正，对于一维光子晶体滤波器的制作具有一定的参考价值。.三、设计了基于谷霍尔效应的光通讯波段光子晶体单向波导结构，为由半径为70nm的Al70Ga30As与Si介质柱空气中排列成晶格常数为600nm的蜂窝状结构组成，可以实现在TM模式光波频率188THz至207THz之内的光的单向传输目标。该结构可以扩展拓扑微纳光学器件在实际应用领域的范围，具有一定的实际应用参考价值。.四、建立了基于目标优先策略由计算平台，利用计算机自主设计的方式实现了一种1500nm波长处的光二极管结构。这一平台的建立一方面将为后续的对全光二极管的设计以及光子晶体拓扑性质的研究与应用服务，可以极大的提高计算效率；另一方面所设计出的二极管结构也可以为实际生产与应用提供参考，亦可根据实际需要为目的尝试由计算机探索新的结构，实现新的光学器件的设计。