平板型柔性光子晶体波导及其器件的研究

光子晶体波导及其器件的研究是应用于集成光学的新型光导波技术研究的一个热点；其中，光子晶体波导拐角优化是一个难点问题。我们已经提出了一种基于一维光子晶体全方向反射原理的、无需特殊优化就可以实现小曲率半径、任意角度弯曲的新型光波导结构，因其独特的柔韧性- - 犹如电子学中的电线一样灵活，故称之为柔性光子晶体波导。目前，柔性光子晶体波导及其器件的研究仅限于二维结构。本项目将首先提出平板型柔性光子晶体波导的三维结构模型，并通过数值模拟对其结构进行优化；其次，将构建基于平板型柔性光子晶体波导的器件模型（如分支、定向耦合器等），并通过数值模拟对其结构进行优化；最后，将实验制备这类新型光波导器件，并实验测试其性能。另外，本项目还将对基于二维/三维光子晶体全方向反射原理的光波导及其器件进行数值模拟研究和实验研究。本项目的研究成果对于光子晶体波导及其器件的研究具有重要的理论意义和实用价值。

在青年科学基金的资助下，我们在柔性光子晶体波导和二维光子晶体波导及其器件的研究方向上取得了多项成果，并且在平板型柔性光波导及其器件的研究方向上也取得了突破性进展。这些研究成果有望应用于高密度集成光路中。.柔性光子晶体波导，简称柔性光波导，文献中也称其为布拉格反射波导（Bragg reflection waveguides） 、布拉格波导（Bragg waveguides）、平板布拉格波导（planar Bragg waveguides）或一维光子晶体带隙平板波导（one-dimensional photonic bandgap slab waveguides），其导波机理是布拉格反射或者一维光子晶体全方向反射带。柔性光波导的最大优点在于：无需特殊优化就可以实现小曲率半径、任意角度弯曲——犹如电子学中的电线一样灵活。因此，在所有基于柔性光波导的的光子器件中，可以以一种非常简单的方式处理波导拐角，这将使器件结构更加紧凑和简单。.在柔性光子晶体波导及其器件的研究中，我们采取了两条研究思路：（1）将定向耦合原理和自映像现象分别应用于柔性光波导，构建结构简单、紧凑的功率分配器和波长分离器；（2）借鉴二维光子晶体波导器件中的谐振腔及点缺陷结构，在柔性光波导中构建谐振腔及点缺陷结构，利用其频率选择特性，构建波长分离器和波导反射器。.我们将全方向反射带的概念从一维光子晶体拓展到二维光子晶体，提出了二维光子晶体全方向反射带的概念，并且证明了全方向反射带的存在比光子带隙的存在更具普遍性：在没有光子带隙的光子晶体中，可以存在全方向反射带；在具有光子带隙的光子晶体中，全方向反射带比光子带隙更宽。我们的研究表明，全方向反射带与光子带隙之间的差别随着晶格对称性的增加而明显减小。我们构建了基于二维光子晶体全方向反射原理的光子晶体波导，突破了“在不存在光子带隙的光子晶体中，无法构建光子晶体波导”的理论局限性，并且通过简单的优化，得到了无损耗传输的双60度波导拐角。.经过多种不同模型及其结构参数尝试之后，我们确定了一种平板型柔性光波导的三维结构模型，称之为水平通道型柔性光波导（或水平通道型布拉格反射光波导）。在波导横截面的水平方向（X方向）上，光波受到布拉格反射的约束；在波导横截面垂直方向（Z方向）上，光波受到全内反射的约束。在该光波导中，光波被约束在低折射率材料通道中，沿着Y方向传输。.