关键词:
光子晶体
谷霍尔效应
拓扑边界态
拓扑角态
摘要:
基于拓扑光子理论设计的拓扑光子晶体,能够通过调控晶格结构或介质折射率分布,实现特定的光学拓扑现象。拓扑边界态、拓扑角态稳健的传输性能和较强的抗干扰能力使其在光子通信和集成光路等领域具有广阔的应用前景。本文基于二维光子晶体灵活的设计自由度和优秀的电磁调控能力,通过分析晶体结构和材料对电磁传输的影响,构建基于谷霍尔效应的拓扑光子晶体,对拓扑态的传输调控展开了深入研究,由此设计了新颖的拓扑光学器件。旨在丰富光子晶体和拓扑光子学的理论体系,为高性能光学器件的设计和研发提供理论依据。本文研究内容与结论如下:
1、提出了一种基于相变材料Ge2Te2Sb5(GST)光子晶体谷霍尔效应拓扑边界态和角态的调控方式。拓扑光子晶体由两种相互颠倒的蜂窝光子晶体构成,包含六边形的Si和GST介质柱。当GST从非晶相转变为晶相时,拓扑光子晶体的边界态能带出现较大的红移,形状从“∪”形反转为“∩”形,从而可以主动调控边界态的工作带宽和传输方向。与此同时,通过构建三角形光子晶体结构,拓扑角态的工作频率和组数的也可以得到主动操控。此外,利用拓扑边界之间的电磁耦合,我们还设计了一种具有高调控自由度的多通道光路由器,能够实现通道连接路径和开关状态的动态控制。该研究工作提供了一种主动调控拓扑边界态和角态的方法,丰富了拓扑光子晶体的电磁调控理论体系,为可调拓扑光学器件的设计和开发提供了理论支撑。
2、设计了一种基于金属光子晶体谷霍尔效应拓扑边界态与边界态/角态相干耦合的高灵敏度和Q因子生物传感器。两种相互颠倒的三角形金属柱周期阵列形成拓扑波导与拓扑谐振腔。波导-谐振腔体系内边界态-边界态耦合形成的透射谷的灵敏度和Q因子分别可达2.16THz/RIU和2.15×106。边界态-角态耦合时,透射谷灵敏度和Q因子分别可达2.3THz/RIU和0.5×106。该生物传感器的高灵敏度能够区分多种气体(如CO,CH4和SO2等),并能检测出它们的浓度。此外,该生物传感器部分填充介质之后,能够直接检测溶液中的生物分子(葡萄糖,SDS和C12E9)和活细菌(金色葡萄球菌和大肠杆菌)的浓度。该研究工作为实现具有超高灵敏度和Q因子的太赫兹生物传感器提供了新方法和策略,在环境监测、气体开采和生物制药方面具有潜在的应用价值。