声子晶体多模波导中的自映像原理及其应用研究

New kind of acoustic materials and devices other than traditional homogeneous materials would be achieved by modifying and controlling artificially the elastic and acoustic waves in phononic crystal (PC), which have been attracted much attention in the recent years.This program will investigate the characteristics and their applications of PC waveguide-based multimode interference (MMI) coupler. MMI coupler and waveguides arrays with appropriate paramaters are constructed by introducing some neighbouring line defects in a perfect PC. Based on guided mode propagation analysis and coupled mode theory, MMI effect and self-imaing principle in a multimode region with a different input position (symmetrical or asymmetrical) will be studied by the methods of the plane wave expansion and the finite difference time domain. The mathematical derivations of the positions of the direct images,the mirrored images,the multiple-fold images and the periodical propagation of elastic waves along the propagation direction, as well as the coupling and decoupling of waveguides will be achieved. And some new physical phenomenas and characteristics may be introduced. Some novel sonic devices will be designed, simulated and optimized based on the theorectical analysis above.The aim of this program is to explore new physical phenomena and sonic devices with good performance in the new kind of artifical sonic materials. The results will provide important scientific value and can find potential application for the real engineering design and applications.

在声子晶体中人工操控弹性波和声波，以获得不同于传统均质材料的新型声学材料及功能器件，成为近年来的研究热点。本项目拟研究声子晶体波导型多模干涉耦合器的特性及应用。在完整声子晶体中，引入邻近的多个线缺陷，选择恰当的参数构建多模波导或多波导阵列，基于导模传输法和耦合模理论，采用平面波展开法和时域有限差分法等计算方法，探讨不同入射位置（对称或反对称）时，波导系统中的多模干涉效应和自映像原理，以获得成输入场的直接像、镜像、多重像的数值关系，得到弹性波在传输方向上的周期性传输行为，波导之间的耦合及解耦合特性，及多模区可能出现的一些物理新现象和新特性。基于该种多模波导理论研究的基础，设计具有优越功能特性的新型声学功能器件。本项目的研究旨在探索人工声学材料中的新物理现象，以实现高性能的声学功能器件，不仅在学术研究方面具有重要的科学意义，在实际工程应用中亦具有潜在的应用价值。

在声子晶体中人工操控弹性波或声波，以获得不同于传统均质材料的新型声学材料及功能器件，成为近年来的研究热点。项目组成员围绕着计划任务书中预定的研究内容和目标，开展了声子晶体波导型多模干涉耦合器的特性及应用的研究，主要研究结果有：（1）恰当地构建了声子晶体单线缺陷波导，使其能形成有效的宽单模运行区，以将横波及纵波分开讨论。将多个单线缺陷波导平行邻近放置，构建了多模波导或多波导阵列。基于导模传输法和耦合模理论，理论分析了输入弹性场对称或反对称入射时声子晶体波导系统中的自映像原理，获得了成输入场的直接像、镜像、多重像的数值关系。采用有限元数值计算方法，计算了色散曲线，位移场分布及弹性场的传输图像，得到了弹性波的周期性传输行为，验证了自映像原理依然适用于声子晶体波导系统。（2）讨论了上述波导阵列中波导之间的解耦合特性，由于本征导模的色散曲线能相交或近于相交，从而实现了简并和近简并。原本出现的多个模式相耦合现象因为简并而出现了解耦合的行为。该解耦合的物理现象可以推广到任意多个波导之间的耦合，而且解耦合的频率区域保持不变。解耦合可以使设计的声学功能器件的结构更微，效率更高。（3）基于多模干涉效应，设计了高效率的新型超微多路声功分器。在此基础上，我们紧跟研究热点和前沿，提出了准周期性声光子晶体的概念，实现了在准晶结构中对光子及声子的同时操控，为有效地增强声光耦合效应提供了一种新结构和有效途径。. 本项目总体取得了比较好的研究成果，超额完成了计划任务书制定的成果目标，并以此为基础有了一些新发现。我们对声子晶体操控声波或弹性波的物理本质有了新的认识，研究结果不仅在学术研究方面具有重要的科学意义，在新型声学功能器件及构建声集成回路中亦具有潜在的应用价值。相关的研究成果发表SCI期刊论文13篇（其中第一标注8篇），SCI影响因子大于2的论文5篇（2篇Optics Express, 2篇Journal of Physics D: Applied Physics, 1篇Journal of Applied Physics，其中JCR一区论文4篇）。