基于完全禁带的近红外波段二维平板光子晶体的研究

随着微加工技术的发展和成熟，二维平板光子晶体成为实现全光集成回路的有效途径。通常由圆形空气孔组成的硅基三角晶格光子晶体仅对于TE-like模存在禁带，因此相应的光学器件只能实现对TE-like模的传输控制。而具有完全禁带的二维平板光子晶体器件不仅可以控制两种模式的光传输，还能显著提高光学微腔的品质因子。本项目利用平面波展开方法、时域有限差分方法理论探索具有宽完全带隙的二维平板光子晶体结构，在此基础上研究得出能够同时传输两种偏振光束的光子晶体波导、兼具选择频率和偏振特性的波分复用器以及可以同时降低两种偏振模式群速度的耦合腔波导。实验方面利用聚焦离子束刻蚀技术、电子束曝光技术制备出相应结构的光子晶体器件，并测量其光学特性。基于完全禁带的近红外波段二维平板光子晶体器件的实现，将为其在光通信领域的进一步应用奠定基础。

本项目根据预定的研究内容和研究目标，在二维平板光子晶体完全带隙、光子晶体耦合腔波导、光子晶体多通道滤波器、光子晶体负折射和自准直效应、光子晶体空间非对易结构的单向传输特性等方面取得了较好的成果。通过结构的优化设计，对于由两种不同半径空气孔交错排列组成的近红外波段三角晶格二维平板光子晶体，其完全带隙宽度达到数十纳米; 而对于空心三角形结构介质柱体组成的二维三角晶格光子晶体，得到了宽度达到带隙中心频率20%的完全光子带隙；对于由方形微腔周期性排列组成的耦合腔光波导，可以通过改变相邻两个微腔在横向和纵向上的距离调节耦合腔波导的群速度，成功将真空中光速降低了五个数量级；通过调节椭圆形缺陷的旋转角度，实现了多通道侧向耦合滤波器；而对于金属柱排列在不同背景介电材料中组成的近红外波段二维三角晶格光子晶体，可以通过晶格常数和背景材料折射率的共同调节实现了在1550nm附近有效折射率为-1的负折射成像特性；对于硅基金属型和介质型正方晶格光子晶体，通过将两种不同结构混合排列，实现了入射光光束的单向传输特性。本项目组成员在Optics Express, Europhysics Letters, Optics Communications, Journal of Optics, Solid State Communications等学术刊物上共发表论文23篇，其中SCI收录15篇，EI收录7篇。