多联通波导网络中的电磁波传输特性及机理研究

Huge photonic band gaps (PBGs) and strong photonic attenuations (PAs) can be produced by mutilconnected waveguide networks, consequently, people have paid great attention to these networks. In this project, we would like to accomplish the following four plans. 1) By means of electromagnetic (EM) field propagating theory and the theory of the scattering and localization for classical waves in inhomogenous meida, we will investigate the Bragg scattering procedure, state distribution, and localization effect for the EM waves in representative periodic multiconnected waveguide networks (PMWNs), and explore the mechanism for the creation of PBGs and Pas in PMWNs. 2) We are going to study the Rayleigh scattering and Mie scattering procedures and the distributions of Anderson localized states for the EM waves in representative quasiperiodic multiconnected waveguide networks (QMWNs), and explore the mechanism for the production of PBGs and Pas in QMWNs. 3) With the use of generalized eigenfunction method and the generalized Floquet-Bloch theorem proposed by us recently, we will research the properties of defect states, distributions of inner EM field, PBGs and PAs in typical defect PMWNs. 4) We are going to consider the characteristics of defect state modes, distributions of inner EM field, PBGs and PAs in typical defect QMWNs. By this project, new mechanism for producing PBGs may be discovered, PBG category may be widened, and the propagating theory of EM waves in waveguide networks may be perfected and developed. It may be useful for the desingning of new micro-nano photonic devices.

多联通波导网络可产生宽光子带隙和强光子局域；因此，多联通波导网络倍受人们关注。本申请项目计划： 1)利用电磁场传输理论和非均匀介质中经典波散射和局域理论，研究典型周期多联波导网络中电磁波的布拉格散射过程、态分布和局域效应，探索周期多联通波导网络产生光子带隙和光子局域的机理； 2)研究典型准周期多联波导网络中电磁波的瑞利散射和米氏散射过程、安德森局域态分布，探索准周期多联通波导网络产生光子带隙和光子局域的机理； 3)利用广义本征函数方法和我们近期提出的广义布洛赫定理，研究电磁波在典型缺陷周期多联波导网络中产生的缺陷态模式、内部电磁场分布、光子频带和光子局域特性； 4)研究电磁波在典型缺陷准周期多联波导网络中产生的缺陷态模式、内部电磁场分布、光子频带和光子局域特性。 本项目有望揭示光子带隙新的产生机理，拓宽光子晶体的范畴，完善和发展电磁波的波导网络传输理论，为研制新功能微纳光子器件提供理论指导

【项目背景】随着光纤和集成光学等技术的飞速发展，人类将步入光子时代。要实现全光信息处理和全光网络，电磁波的操控是需要解决的首要问题。光波导网络是一类操控电磁波非常有效的人工微纳结构，一直倍受人们关注。.【主要内容】本项目主要研究了电磁波在真空、介质、以及宇称—时间对称的周期、准周期、缺陷周期、缺陷准周期多联通光波导网络以及单个光波导环中传输时产生的宽光子带隙、强光子局域、密集光频梳、超强奇异透射和反射等等特性，并且通过网络对称性和局域结构、电磁场分布、光子模式、光子态分布等等方面对这些光学特性进行了深入的机理研究，设计了多种比光子晶体和现有光波导网络能够产生更宽光子带隙、更强光子局域的多联通光波导网络结构，尤其是设计了能够产生密集光频梳和超强奇异透反射的光波导网络结构。.【重要结果】我们发现：一、光波导网络产生完全光子带隙的机理与光子晶体完全不同，它只与单元模式和单元数目有关，与单元排布序列无关；只有存在衰减模式单元、且数目足够多时，光波导网络才能产生完全光子带隙。二、极强光子局域源于极窄全透光子通带必定伴随极窄极深的光子带隙。三、可以借鉴固体物理学的原胞分类方法，对周期光波导网络原胞进行严格分类，从而得出产生宽光子带隙的光波导网络结构设计方法。四、真空和介质光波导网络的O型单元只能产生正常光子传播模式，从而产生光子通带；A型单元既能产生正常传播模式，又能产生衰减传播模式，从而产生完全光子带隙。五、周期宇称—时间光波导网络不能产生正常光子传播模式，只能产生衰减传播模式，还能产生异常衰减传播模式和异常增益传播模式，但既不能产生通带、也不能产生带隙，却能产生超强奇异的透反射率。六、获得了定量产生和调控密集光频梳的光波导网络的参数和规律。.【科学意义】这将加深人们对光波导网络产生完全光子带隙的认识，澄清人们对光波导网络产生光子带隙与相消干涉产生暗条纹之间的本质差别，有助于人们对光波导网络进行严格的、分门别类的、深入研究，为人们调控光子带隙的数目、宽度、和频率位置，为产生宽光子带隙、强光子局域、密集光频梳、超强奇异透反射率等等的全光器件的设计提供理论指导。