光子晶体器件设计与光传输调控

光子晶体单向传输器件因其具有尺寸小、工作波段可调、传输损耗低和易于集成等优点，一直是国内外研究的热点。针对现有单向传输器件存在对比度不高、正向透射率低、材料吸收大、光源与器件集成困难等问题，本书提出了可见光波段光子晶体器件中光传输的调控方案。本书首先阐述了可见光波段集成光子器件的研究意义与挑战，在此基础上，提出了二维六方氮化硼光子晶体器件的创新设计：在全反射界面下设计异质结构以实现TE偏振光单向传输；为降低结构复杂性，设计了具备自准直效应与禁带效应的TM偏振光单向传输结构；进一步采用能谷光子晶体拓扑边缘态降低散射损耗，提高了结构紧凑性与传输效率；并基于能谷光子晶体设计了慢光波导、环谐振器与带通陷波滤波器结构，对各类器件的传输机制进行了系统性研究。
本书所设计器件对可见光通信系统集成化的发展具有参考意义。本书可作为通信、电子信息、光学工程、光学、物理学等专业研究者及高等院校师生的专业参考书籍。

随着信息技术的飞速发展，人类社会正步入一个数据爆炸的时代。自动驾驶、远程医疗、云计算等新兴应用对计算速度和存储容量的需求呈指数级增长。传统电子计算技术在摩尔定律逼近物理极限的背景下，面临着能耗高、散热难度大等多重挑战。在此背景下，光量子计算技术以其并行处理能力、低功耗特性以及对特定问题的指数级加速优势，成为突破传统计算瓶颈的重要途径。光量子计算技术利用光子作为量子信息的载体，通过对光子的量子态操控与测量实现量子信息处理，在密码破译、分子模拟、大数据分析等领域展现出巨大潜力。然而，光量子技术的大规模实用化离不开纳米光子器件在光子芯片上的高度集成，这使得光子芯片技术成为未来信息科学的支点性技术，在信息技术、国防安全、能源、健康医疗等领域具有深远的战略意义。
光子集成芯片作为光子信息传输的核心载体，凭借其高速率、低功耗、尺寸小、常温可操作和易操控等显著优势，已成为后摩尔时代微电子与光电子融合发展的主要方向之一。光源与不同功能的光子器件在单一芯片上的集成，构成了特定波段的集成光子系统。光子器件根据其功能可分为有源器件和无源器件两大类。其中，无源器件包括光二极管 光隔离器、带阻 带通滤波器、光波导、谐振器、光开关、相位调制器与光延迟线等，它们在构建光路、调控光信号传输方面发挥着不可替代的作用。根据光子学的频谱范围，光子器件可分为紫外波段、可见光波段、红外波段、太赫兹波段、微波段和光通信波段等多个波段的光子器件。目前，太赫兹波段、微波段和光通信波段的光子器件已取得丰富的研究成果，而可见光波段的光子器件研究仍面临诸多挑战，如传输损耗大、不易于集成、光源与光子器件耦合困难等。然而，可见光波段拥有丰富的频谱资源，开发工作在可见光波段的新型微纳光子器件，对于提高光子集成芯片的容量与速率具有重要意义，正逐渐成为国内外研究者关注的热点。
可见光集成芯片是以可见光作为信息传输的载体，由光源与不同功能光子器件集成构成的光子芯片系统。在集成光路中，可见光波段单向传输器件扮演着关键角色，其主要功能是保护光源与光子器件免受反向光干扰，同时维持光路稳定性。在单向传输系统中，光二极管和光隔离器能够在特定频段内实现单向光传输并抑制反向光传输；而光滤波器、光谐振器、光延迟线、波分复用器等功能器件在实现其基本功能的同时，往往也具备单向传输特性，这对降低光子器件的插入损耗、提高芯片集成度具有重要作用。因此，开发高性能的可见光单向传输器件，对于推动单向光传输系统与可见光通信技术的发展具有积极而深远的影响。
尽管可见光单向传输器件的研究已取得一定进展，但现有器件仍面临诸多瓶颈问题，主要包括对比度不高、正向透射率低、材料吸收大以及光源与器件集成困难等。这些问题严重制约了可见光集成芯片的性能提升和应用拓展。针对上述挑战，本书聚焦可见光波段二维六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）光子晶体单向传输结构的设计与性能优化，提出了多种创新性解决方案。hBN作为一种新兴的二维材料，具有宽带隙、高透明度、低损耗以及易于与硅基平台集成等显著优势，为构建高性能可见光光子器件提供了理想材料平台。
本书的研究工作主要分为两个方面。
一方面，深入研究了基于不同物理机制的单向传输结构，实现了多种偏振态光信号的高对比度单向传输。首先，基于全反射原理，设计了异构光子晶体结构，通过调控不同区域光子晶体的能带结构，实现了可见光波段TE偏振光的高对比度单向传输，为用低折射率对比度材料设计光子晶体单向传输结构提供了新思路。其次，基于方向禁带效应，构建了准直型光子晶体结构，通过精心设计晶格常数和孔洞形状，实现了TM偏振光在特定方向上的高效率单向传输。最后，基于自旋-谷锁定效应，探索了能谷光子晶体结构，利用圆偏振光的谷选择性激发特性，实现了圆偏振光的高对比度单向传输。
另一方面，致力于拓展可见光波段拓扑光子器件的应用范围，构建了多种功能集成的新型光子器件结构。基于能谷光子晶体平台，设计了单向慢光波导结构，通过调控能谷态的光子态密度，实现了光群速度的有效降低，同时保持了单向传输特性，为光延迟线的设计提供了新思路。此外，还构建了双通道和多通道带通陷波滤波器结构，通过精心设计能谷光子晶体的能带结构和缺陷模式，实现了多个波长通道的高选择性滤波。这些器件结构具有几何尺寸紧凑、透射率高以及可调谐等显著优势，为超紧凑型高性能可集成光子器件的设计提供了有效方案，可广泛应用于光通信和光量子计算等领域。
本书系统地总结了作者团队在可见光波段光子晶体单向传输器件设计与光传输调控方面的研究成果，从理论分析、结构设计、数值模拟到性能优化，形成了一套完整的研究体系。书中详细介绍了各种单向传输器件的工作原理、设计方法以及性能特点，并探讨了其在光通信和光量子计算等领域的应用前景。书中全部插图均可通过扫描二维码查看彩色原图。希望通过本书的出版，能够为相关领域的研究人员提供有益的参考，推动可见光集成光子技术的发展与应用。
衷心感谢国家自然科学基金（11904255）、山西省基础研究计划青年基金项目（202403021222349）、山西省高等学校科技创新计划项目（2024L422）、山西省高层次人才引进科研启动经费（RCK202327、RCK202327-1）等项目对本研究的资助，感谢合作者在研究过程中给予的大力支持，感谢编辑和出版社为本书出版所付出的辛勤劳动。同时，也要感谢作者家人在作者写作过程中给予的理解和支持。希望本书的出版能够为光子学与光电子学领域的发展贡献一份力量。
需要指出的是，关于可见光集成芯片中光子器件的制备与测试相关内容，由于受限于当前实验条件和制备工艺，本书未能详尽阐述，这部分内容还有待进一步的补充和完善。此外，由于作者水平有限，书中难免存在疏漏和不足之处，恳请各位读者批评指正，并提出宝贵意见，我们将认真听取并吸收各方面的建议，在未来的研究工作中不断完善和提高。

武敏
山西工程科技职业大学

第1章绪论 1
1.1可见光波段光子器件的研究意义 1
1.2单向光传输器件研究概况 2
1.2.1单向光传输器件的功能与类型 2
1.2.2单向光传输器件研究存在的问题 5
1.3光子晶体单向光传输研究进展 6
1.3.1互易型光子晶体单向光传输 6
1.3.2拓扑光子晶体单向光传输 9
1.4六方氮化硼在光子器件中的应用 14
1.5本书主要内容 17

第2章异构光子晶体TE偏振光高对比度单向传输 19
2.1引言 19
2.2六方氮化硼异构光子晶体结构模型 20
2.3TE偏振光单向传输机理分析 21
2.4单向传输性能优化 24
2.5本章小结 31

第3章超紧凑准直型光子晶体TM偏振光单向传输 32
3.1引言 32
3.2六方氮化硼准直型光子晶体结构模型 34
3.3自准直效应增强单向传输性能 36
3.4结构参数对TM偏振光单向传输特性的影响 38
3.5本章小结 42

第4章能谷光子晶体宽带宽高透射圆偏振光单向传输 44
4.1引言 44
4.2拓扑边缘态的单向传输机理 46
4.3六方氮化硼能谷光子晶体结构模型 50
4.4边缘态对传输特性的影响 51
4.5结构参数对圆偏振光单向传输特性的影响 53
4.6本章小结 57

第5章能谷光子晶体可调谐低群速度单向慢光传输 58
5.1引言 58
5.2六方氮化硼能谷光子晶体慢光波导模型 60
5.2.1边缘态结构对色散特性的影响 60
5.2.2边缘态单向慢光传输机理分析 61
5.3边缘态结构参数对慢光传输特性的影响 65
5.4慢光波导在光延迟中的应用 69
5.5本章小结 72

第6章能谷光子晶体拓扑环谐振器滤波特性研究 73
6.1引言 73
6.2六方氮化硼能谷光子晶体环谐振器结构模型 75
6.3结构参数对环谐振器光谱特性的影响 78
6.4单环带通陷波滤波器结构及滤波特性 81
6.4.1单环带通陷波滤波器结构模型 81
6.4.2环谐振器与拓扑直波导间距对滤波特性的影响 83
6.4.3六方氮化硼折射率对滤波特性的影响 85
6.5双环带通陷波滤波器结构的滤波性能 86
6.6本章小结 88

参考文献 90