三维多通路复合周期光子晶体光隔离器的制备及性能研究

Controlling photons transmission through positive and negative directions of the same structure with different transmission or reflection properties, that is, nonreciprocal propagation is a key condition for us to obtain an all-optical diode, optical isolator. Without using magnetic or nonlinear materials, optical isolator with low threshold, large operating bandwidth and high transmission contrast can be obtained just by consisting two or more component photonic crystals with different period or different crystal face contact. However, the optical isolators which designed by one-dimensional or two-dimensional structure are limited to single direction light isolation characteristic. Research of 3D multipath optical isolator is still untouched until now. In this project, we will analyze the photonic forbid frequencies difference existed in different wave vector direction and complex dispersion relationship of the special photonic band of the photonic crystal, and explore the design method for 3D multipath optical isolator. We will also try to fabricate the optical isolator constructed by 3D complex period structures with nonreciprocal transmission properties in multiple directions by multi-photon photopolymerization. Furthermore, we will investigate the mechanism of nonreciprocal reflection phenomenon, difference in frequency or strength of light reflected from positive and negative directions in 3D complex period photonic crystal structures. Sequentially, the proposed novel concept and design of optical isolator can be expected to promote the development of optical integration technology.

光子"光非互易传输"现象是实现"全光二极管"- - 光隔离器的关键。通过不同周期、晶面的光子晶体组合实现光非互易传输，是设计具有低工作阈值、宽带工作及高传输对比度等特性的光隔离器的有效手段。现有一维或二维结构的光隔离器仅能实现单方向光隔离功能，而关于三维多通光隔离器的研究仍是空白。本项目拟从三维光子晶体中不同波矢方向对应的禁带频率差和特征能带的色散关系入手，探索实现三维多通路光隔离器的设计方法；采用在光学波段无吸收的高分子聚合物材料，利用多光子加工技术制备在多个方向具有光非互易传输特性的三维光子晶体复合周期结构；研究三维复合周期光子晶体结构中存在的非互易反射现象(光沿结构正反向传输时，反射谱频率或光强不同)的形成机理，建立新的反射型光隔离器的设计原理与方法，制备出三维多通光隔离器原型器件。本项目研究工作具有原始创新性，将对全光集成技术的发展有重要的推动作用。

“光隔离器”又称为 “ 全光二极管”。现有基于一维或二维结构的光隔离器仅能实现单方向，单个频率的光隔离功能，而关于三维多通路光隔离器的研究仍是空白。利用不同波矢方向的光子带隙频率差或特征能带的复杂的色散关系，仅仅通过将不同周期，不同晶面的光子晶体组合成复合周期结构即可以实现多通路，多频段的光隔离器功能。本项目从理论上解析了三维渐变周期光子晶体结构中的非互易传输现象形成机理，设计并制备了多种在近红外波段基于类金刚石结构的光隔离器模型。取得的研究成果包括：1）发展了复杂三维光子晶体等频率面的理论计算方法，明确了三维渐变周期结构中非互易反射现象的形成机理；2）实现多种基于手性螺旋结构的渐变周期反射型光子晶体光隔离模型，并证明在该种结构中，非互易反射现象与结构手性方向无关；3）制备出一种多波段多通路非互易传输的楔形光子晶体光隔离器模型,该隔离器模型在两段宽波段“1800nm-2400nm”及小于1100nm的近红外频段出现非互易传输现象，且入射光以不同角度入射时，光隔离频段互换，即出现多通路的光隔离现象；4）将变换光学中坐标变换推广到包含有曲率奇点的非完整坐标变换，实现非完整坐标变换中的拓扑缺陷及其光束操控研究；5）成功设计、制备和表征了一种基于U形谐振环结构的二维手性互补超颖材料。本项目采用聚合物材料并利用多光子加工技术制备可工作于近红外波段的三维多通路光隔离器结构原型器件，为三维光子晶体多通路光隔离器的设计及制备提供理论与技术基础。本项目提出的三维多通路光隔离器的理论及实验研究均为目前国际上首创性研究，将对未来全光集成技术的研究起到十分重要的推动作用。本项目共发表标注研究论文15篇，其中，SCI检索13篇，影响因子大于3.0的论文9 篇,EI检索2篇，授权发明专利6项，其中美国专利1项，日本专利1项。培养博士研究生2人，硕士研究生2人。