宇称-时间对称光波导网络中的奇异电磁波传输特性研究

Multi-connected optical waveguide networks are a kind of interesting photonic band gap (PBG) structures, which can produce wide PBGs and strong photonic localizations. Parity-time (PT) symmetric optical systems are a kind of novel structures for controlling and confining electromagnetic waves in the wake of photonic crystals and metamaterials. Consequently, people have paid much attention to both of them. In this project we plan to accomplish the following four items..1) Seek the breaking points for some typical PT symmetric optical waveguides by means of the propagation theory of electromagnetic waves, numerical simulations, and calculus of variations. Construct PT symmetric waveguide networks by the optical waveguides with the parameters at and/or above breaking points..2) Investigate photonic state distributions, photonic band structures, and other properties for electromagnetic waves propagating through typical PT symmetric periodic waveguide networks by use of network equations, generalized Floquet–Bloch theorem, and generalized eigenfunction method..3) Research electromagnetic field distributions, optical reflection and transmission spectra, and other properties for electromagnetic waves propagating through typical PT symmetric aperiodic waveguide networks..4) Study defect state modes, photonic energy spectra, and other properties for electromagnetic waves propagating through typical PT symmetric defect periodic and aperiodic waveguide networks making use of the aforementioned methods, first moment, second moment, and inverse participation ratio..By this project, new mechanisms for producing PBGs may be developed, fantastic characteristics for the propagation of electromagnetic waves may be discovered, and category of photonic crystals may be widened. It may be helpful for the designing of new functional micro-nano photonic devices.

多联通光波导网络是一种可产生宽光子带隙和强光子局域的有趣光子带隙结构，宇称-时间对称光学系统是继光子晶体、电磁特异材料之后的操控电磁波新结构；二者倍受人们关注。本申请项目计划.一、利用电磁场传输理论、数值模拟方法、变分法求典型宇称-时间对称光波导破缺点，以处于破缺点及以上的光波导构造宇称-时间对称光波导网络；.二、利用网络方程、广义布洛赫定理、广义本征函数方法研究电磁波在典型宇称-时间对称周期光波导网络中的光子态分布、光子频带结构等等性质；.三、研究电磁波在典型宇称-时间对称非周期光波导网络中的电磁场分布、光反射和透射谱等等性质；.四、利用上述方法及一阶矩、二阶矩、反参加比研究电磁波在典型缺陷宇称-时间对称周期、非周期光波导网络中产生的光子缺陷态模式、光子能谱等等性质。.本项目有望探索光子带隙新的产生机理，揭示电磁波新的奇异传输特性，拓宽光子晶体范畴，为研制新功能微纳光子器件提供理论指导。

【项目背景】多联通光波导网络是一种可产生宽光子带隙和强光子局域的光子带隙结构，宇称-时间对称光学系统是继光子晶体、电磁特异材料之后操控电磁波的新结构；二者倍受人们关注。.【主要研究内容】本项目主要研究了典型宇称-时间对称光波导的自发对称破缺点；并在此基础上研究了电磁波在典型宇称—时间对称周期、准周期、缺陷周期、缺陷准周期多联通光波导网络中传输时产生的光子态分布、光子频带结构、强光子局域、超强奇异透反射、光传播不对易、单向和双向无反射、单向和双向透明、单向不可见、共振完美吸收器激光腔等等有趣性质，并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的光波导网络结构，以及能够产生超强奇异透反射、单向和双向透明、单向不可见、共振完美吸收器激光腔的宇称—时间对称光波导网络结构；另外，我们还研究了具有优异性能指标的、比现有全光开关更加趋于实用化的光波导网络全光开关的结构和性质优化问题。.【重要结果】一、得出了三材料光波导网络的网络方程；二、提出了新的光子模式分类方法，发现了电磁波在宇称—时间对称光波导网络中传播时产生的奇异光子模式；三、分别提出了确定周期和非周期宇称—时间对称光波导网络的极值自发对称破缺点的方法；四、设计了一系列能够产生有趣的超强奇异透反射、超强奇异的光子局域、单向无反射、双向无反射、单向透明性、双向透明性、单向不可见性、共振完美吸收器激光腔等等特性的宇称—时间对称光波导网络；五、设计了能产生超强奇异光吸收的宇称—时间对称石墨烯光子晶体结构；六、设计了一系列具有优异性能指标的、比现有全光开关更加趋于实用化的光波导网络全光开关结构。.【科学意义】上述研究结果揭示了电磁波在宇称—时间对称光波导网络中传输时产生的新性质，为人们研究宇称—时间对称光学系统提供了新的研究方法，为研制基于多联通宇称-时间对称波导网络且具有优异性能的新的微纳光子器件提供了理论指导，同时也加深了人们对光波导网络和宇称—时间对称光学系统的认识，拓展了它们的应用。