【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光場模式操控領域，更具體地，涉及一種基于超材料波導的手性傳輸器件。
技術介紹
1、近年來，非厄米系統因其非守恒性質(例如開放邊界條件或增益/損耗相互作用)而備受關注。這一類系統展示出許多直覺難以理解的物理現象。在非厄米哈密頓量中，本征值的退化奇點被稱為特殊點(exceptional?points,eps)，它們已在熱力學、量子力學、電子學和聲學等多個先進領域中得到廣泛的理論和實驗研究。在光子學領域，通過操控增益與損耗的多種光學結構已被用來探索和展示基于eps的奇特效應。這些現象包括損耗誘導透明、增強的靈敏度、單模激光以及單向隱身，它們為下一代光學技術奠定了基礎。
2、在眾多奇特效應中，當系統參數被調整以動態環繞eps時，可以在非厄米系統中觀察到手性拓撲響應。最新研究表明，將哈密頓量參數的動態環繞映射至耦合波導配置，可實現手性模式切換，其中輸出模式的性質完全由環繞路徑的旋向決定。然而，在傳統基于eps的手性切換器件中，由于路徑依賴的eps附近損耗，手性傳輸效率普遍較低。為解決這一問題，已經提出了若干技術手段，包括移動eps環繞、哈密頓量跳躍和快速參數演化，以實現跨越光通信波段的高效手性切換。隨著波分復用技術的快速發展，傳統的通信波段正面臨“容量瓶頸”。最近，低損耗空芯光纖和高增益低噪聲鈥摻雜光纖放大器的出現，使2微米波段成為解決這一問題的潛在方案。因此，將手性模式切換器件的波長擴展至1.55微米以上，特別是2微米波段，具有重要意義。然而，在2微米波段實現高性能的手性模式切換仍面臨挑戰。
3、此
技術實現思路
1、針對現有技術的缺陷，本專利技術的目的在于提供一種基于超材料波導的手性傳輸器件，旨在引入超材料波導，解決以往片上手性傳輸器件波長相關的模式失配問題，在多個波段上實現大帶寬、高效率和高純度的手性傳輸器件。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了一種基于超材料波導的手性傳輸器件，包括襯底、位于襯底表面的雙耦合超材料波導、位于襯底上方且覆蓋所述雙耦合超材料波導的包層；所述雙耦合硅基超材料波導包括第一寬波導、兩個內嵌納米孔超材料波導(第一超材料波導和第二超材料波導)和第二寬波導；第一寬波導的輸出分別與第一超材料波導和第二超材料波導的輸入端連接，第二寬波導的輸入分別與第一超材料波導和第二超材料波導的輸出端連接，第一超材料波導和第二超材料波導保持預設間距，第一超材料波導和第二超材料波導均內嵌納米孔；所述兩個內嵌納米孔超材料波導可以調節結構參數(波導寬度、波導間距和納米孔周期)，來對應非厄米系統的參數空間(調諧參數和損耗)，使得參數空間的變化軌跡能夠環繞奇異點，從而實現低損耗，高純度大帶寬手性模式傳輸的奇異特性；
3、所述非厄米系統的參數空間為以調諧參數和損耗為自變量，非厄米系統哈密頓算符的本征值和對應特征向量為因變量形成黎曼曲面所在的空間；所述非厄米系統可以在奇異點處具有簡并的特征值和特征向量；
4、所述手性模式傳輸的奇異特性為輸出模式僅與輸入和輸出端口有關，即當基模和高階模式從輸入端輸入，輸出端僅輸出基模，而當基模和高階模式從輸出端輸入，輸入端僅輸出高階模式。
5、優選地，所述第一超材料波導和第二超材料波導內嵌納米孔形狀為圓形，方形，橢圓形，菱形等；所述的超材料波導內嵌納米孔周期遠小于工作波長時，超材料波導展示出亞波長光柵波導的低損特性；所述的超材料波導內嵌納米孔周期遠匹配工作波長時，超材料波導展示出光子晶體波導的高損特性。
6、優選地，所述第一超材料波導的納米孔周期不變，可以實現低損耗的光傳輸；而波導寬度從左到右先逐漸變小(lc1區域)，然后變寬(ls1區域)，最后保持不變(ls2區域和lc2區域)。
7、優選地，所述第二超材料波導納米孔周期從左到右先不變(lc1區域)，接著先變大后變小(ls1區域和ls2區域)，最后不變(lc2區域)，可以在周期變化區域實現光場的高損耗傳輸；所述ls1區域和ls2區域為級聯的光子晶體波導，可以實現寬帶的反射損耗；波導寬度從左到右先保持不變(ls1區域和lc1區域)，然后變小(ls2區域)，最后變大(lc2區域)。
8、優選地，所述第一超材料波導和第二超材料波導之間波導間距從左到右是先增大后減小。
9、優選地，所述的第一寬波導和第二寬波導為條形波導，可以支持基模和高階模式的低損耗傳輸。
10、優選地，所述的手性傳輸器件的工作波段可以設計在通信波段和兩微米波段，甚至可見光波段實現寬帶操作。
11、優選地，所述的第一超材料波導和第二超材料波導的材料為硅、氮化硅、碳化硅、鈮酸鋰、聚合物等高折射率介質。
12、通過本專利技術所構思的以上技術方案，與現有技術相比，本專利技術具有如下有益效果：
13、1、本專利技術公開了一種基于超材料波導的手性傳輸器件，充分利用超材料波導折射率和色散特性可人工調整設計的優點，克服波長相關的模式失配問題，相比于使用傳統條形波導的方式，為提高手性傳輸器件性能提供一種新思路。
14、2、本專利技術利用超材料波導的波導性能可裁剪的特點，對于波導損耗的調控，可以通過改變超材料波導的納米孔的大小，使光傳輸在無損的亞波長光柵波導和有損光子晶體波導狀態之間切換，實現損耗的精確控制，不需要引入額外的材料進行吸收，或者設置特殊的環繞奇異點線路，降低系統參數的調控難度，也可以損耗實現的精細調控，實現器件的高效率傳輸。
15、3、本專利技術利用超材料波導的易加工特性，相比較傳統的使用矩形方塊的亞波長光柵，本專利技術具有更大的特征尺寸，也具有更大加工容差特性。
16、4、本專利技術利用構建超材料波導的普適性，同樣可以適用于其他各種集成光子平臺。
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1.一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，包括襯底(1)、位于所述襯底(1)表面的雙耦合超材料波導(2)、位于所述襯底(1)上方且覆蓋所述雙耦合超材料波導(2)的包層(3)；所述雙耦合硅基超材料波導包括第一寬波導(2-1)、第一超材料波導(2-2)、第二超材料波導(2-3)和第二寬波導(2-4)，所述第一寬波導(2-1)的輸出分別與第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的輸入端連接，所述第二寬波導(2-4)的輸入分別與第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的輸出端連接，所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)保持預設間距，所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)均內嵌納米孔；所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的結構參數對應非厄米系統的參數空間，通過調節所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的結構參數使得參數空間的變化軌跡環繞奇異點，從而實現手性模式傳輸。
2.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述非厄米系統的參數空間為以調諧參數和損耗為自變量
3.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述手性模式傳輸的輸出模式僅與輸入和輸出端口有關，即當基模和高階模式從輸入端輸入，輸出端僅輸出基模，當基模和高階模式從輸出端輸入，輸入端僅輸出高階模式。
4.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的內嵌納米孔形狀為圓形，方形，橢圓形，菱形；當內嵌納米孔周期遠小于工作波長時，超材料波導展示出亞波長光柵波導的低損特性；當內嵌納米孔周期遠匹配工作波長時，超材料波導展示出光子晶體波導的高損特性。
5.根據權利要求4所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，從輸入端到輸出端分為Lc1區域、LS1區域、Ls2區域和Lc2區域，所述第一超材料波導的納米孔周期不變，波導寬度在Lc1區域先逐漸變小，然后Ls1區域變寬，最后Ls2區域和Lc2區域保持不變。
6.根據權利要求4所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，從輸入端到輸出端分為Lc1區域、LS1區域、Ls2區域和Lc2區域，所述第二超材料波導的納米孔周期先在Lc1區域不變，然后Ls1區域和Ls2區域先變大后變小，最后Lc2區域不變；波導寬度先在Ls1區域和Lc1區域保持不變，然后Ls2區域變小，最后Lc2區域變大。
7.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)之間的間距從輸入端到輸出端先增大后減小。
8.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述的第一寬波導(2-1)和第二寬波導(2-4)為條形波導。
9.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述的手性傳輸器件的工作波段為通信波段、兩微米波段或可見光波段。
10.根據權利要求4所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的材料為硅、氮化硅、碳化硅、鈮酸鋰或聚合物。
...【技術特征摘要】
1.一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，包括襯底(1)、位于所述襯底(1)表面的雙耦合超材料波導(2)、位于所述襯底(1)上方且覆蓋所述雙耦合超材料波導(2)的包層(3)；所述雙耦合硅基超材料波導包括第一寬波導(2-1)、第一超材料波導(2-2)、第二超材料波導(2-3)和第二寬波導(2-4)，所述第一寬波導(2-1)的輸出分別與第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的輸入端連接，所述第二寬波導(2-4)的輸入分別與第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的輸出端連接，所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)保持預設間距，所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)均內嵌納米孔；所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的結構參數對應非厄米系統的參數空間，通過調節所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波導(2-3)的結構參數使得參數空間的變化軌跡環繞奇異點，從而實現手性模式傳輸。
2.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述非厄米系統的參數空間為以調諧參數和損耗為自變量，非厄米系統哈密頓算符的本征值和對應特征向量為因變量形成黎曼曲面所在的空間；所述非厄米系統在奇異點處具有簡并的特征值和特征向量。
3.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述手性模式傳輸的輸出模式僅與輸入和輸出端口有關，即當基模和高階模式從輸入端輸入，輸出端僅輸出基模，當基模和高階模式從輸出端輸入，輸入端僅輸出高階模式。
4.根據權利要求1所述的一種基于超材料波導的手性傳輸器件，其特征在于，所述第一超材料波導(2-2)和第二超材料波...
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