基于各向异性材料光子晶体的传输特性分析及器件设计

In recent years, the research of photonic crystals had attracted more and more attention. People usually focus on the study of photonic crystals based on isotropic materials but ignore anisotropic materials. In fact, due to the tensor expression of permittivity of anisotropic materials, the properties of electromagnetic waves in anisotropic materials are quite different from that in isotropic materials. If the photonic crystals made by anisotropic materials, a lot of special and helpful results can be found, which can be very useful for us to design some complex and targeted photonic crystal devices. In this project, we pay our attention to one-dimensional and two-dimensional photonic crystals based on anisotropic materials (including magneto-optical materials and Tellurium). The major studies of this project are as follows: the anomalous dispersions of one-dimensional magnetic photonic crystals are investigated; the photonic crystal isolators with good performance on large incident angle are studied by introducing left-handed materials into magnetic photonic crystals; the complete bandgaps based on two dimensional Tellurium photonic crystals are investigated, and photonic crystal polarization beam splitters are studied; the photonic crystal circulators based on two dimensional Tellurium photonic crystals are studied, and these circulators do not confine the polarization state of the signal. These researches are valuable in designing photonic crystal devices.

近年来，光子晶体的研究引起了人们极大的关注，但大家关注的重点主要集中在各向同性材料光子晶体结构，由于各向异性材料的介电常数是张量形式的，对电磁波的约束作用有别于普通各向同性材料。因此，当光子晶体是由各向异性材料构成时，会发生非常有趣的现象，同时这些有趣的现象为我们设计更为复杂化、更具有针对性的光子晶体元件提供了非常重要的思路。本项目将重点放在基于各向异性磁光材料和碲介质的一维和二维光子晶体上，主要研究内容包括：一维磁光光子晶体的反常色散现象；在一维磁光光子晶体中引入左手材料，以获得对角度具有宽容忍度的光子晶体隔离器；二维碲光子晶体的完全禁带，以及由此设计的光子晶体偏振分束器；在二维碲光子晶体中引入磁光材料缺陷，设计与偏振无关的光子晶体环形器。上述内容的研究，弥补了理论上的不足，也为光子晶体滤波、隔离器等关键器件的制作提供了重要的依据。

由于各向异性材料具有许多有别于常规材料的特性，基于各向异性材料的光子晶体结构可用于设计简单且高效的功能器件。本项目将研究重点集中在基于各向异性碲材料以及磁光材料光子晶体结构的传输特性。主要研究内容包括：1）基于各向异性光子晶体的偏振器件设计。首先，基于各向异性材料的双折射效应，我们利用等效折射率理论严格分析了不同形态各向异性材料对不同偏振态波的布拉格散射效应，得到了不同偏振波对各向异性缺陷的频率响应及传输特性。通过合理设计器件结构和缺陷特性，成功实现了对不同偏振波的控制和分离。以此为基础，我们设计了多种高效且简单的光子晶体偏振器件，包括偏振滤波器、偏振分束器以及偏振光桥。所设计的偏振器件，具有体积小、结构紧凑、适合于大规模光路集成等方面的优势。2）基于磁光材料的光子晶体环行器设计。我们提出了两种设计光子晶体环行器的思路。其一是，我们通过分析波在磁光材料微腔中的谐振模式和法拉第旋转效应，得到了波对于不同形态磁光材料的法拉第偏转角，通过合理设置磁光材料介质杆，并在磁光介质杆周围设置特殊形状的辅助杆，极大地提高了环行器的环行效率，并以此为基础设计了高性能的三端口以及四端口光子晶体环行器。这类环行器最大的特点是仅仅只需单独的磁光材料缺陷杆，就可在短程实现高效的环行。另一种是，通过在光子晶体中插入磁光材料环形阵列，基于耦合腔等效理论对磁光材料环形阵列进行严格的模式和耦合特性分析，利用磁光材料之间的腔体耦合，在三角晶格光子晶体波导中实现了三端口和六端口环行器的设计。3）基于各向异性材料的光子晶体功率分配器设计。为了解决以往光子晶体功分器受偏振模式制约的缺点，在1）的基础上，我们巧妙的利用各向异性碲材料构建偏振缺陷，将偏振缺陷设置于光子晶体波导的关键位置形成不同的偏振波导，再利用器件的结构特性和设置功率缺陷杆，实现了与偏振无关的二等分功分器，以及分别实现了TE/TM波的三等分功分器。项目基本依照原定的研究计划和内容开展工作，较好的完成了预期的研究目标，所取得的研究成果对基于各向异性材料光子晶体结构的功能器件设计具有重要的意义。