二维磁光光子晶体单向边界模式的耦合效应

摘要

近年来，基于磁光材料光子晶体的单向边界态的研究，无论是基础研究还是应用研究方面都吸引了无数的科学工作者的目光。对磁光光子晶体施加外界偏置磁场，会产生旋电或旋磁各向异性，其时间反演对称性会遭到破坏，因而可以支持边界模式的单向传播。本文将在前人的基础上进一步研究磁光光子晶体单向边界态的耦合效应。到目前为止，大多数研究将目光投注于单个单向边界态，磁光光子晶体单向边界模式的耦合的研究还比较少，而单向边界模式的耦合却会产生一些比较有趣的现象，这些现象包括：慢光波导，单向空气波导和磁光存储系统等。本文研究的主要内容如下：
　　设计了一种新型的慢光波导结构，该慢光波导结构是由两个磁光光子晶体通过一定的耦合距离构成。磁光光子晶体在外界磁场的作用下会产生单向边界模式，如果对两个磁光光子晶体施加方向相同的外界偏置磁场，两个磁光光子晶体的上下边界的单向边界模式方向相反，将这两个方向相反的边界模式按照一定的耦合距离进行耦合，会产生一定的耦合效应；在耦合距离为1.5a时，能够得到一条群速率接近零的水平能带。本文研究的慢光波导与一般的慢光波导结构优势在于：水平能带的频率位置与群速率的大小能够随外界磁场的大小而改变。
　　基于单向边界模式耦合效应，另外设计了一种单向空气波导结构。虽然单向边界模式能够克服边界上的瑕疵或者缺陷向前完美传输而不产生反射，但该单向边界波导却很难形成对称集中的光束。为了得到对称集中的单向空气波导，对两个磁光光子晶体施加方向相反的外界磁场，得到两个群速率的方向相反的单向边界模式，将这两个单向边界模式按照一定的距离进行耦合，在耦合距离为1.5a时，得到了理想的单向空气波导结构。单向空气波导模式不仅有单向边界模式的优点，即存在障碍物的情况下仍然保持单向传输的特点，而且还有大的工作带宽、高消光比的特点。与单向边界波导相比，其优越性在于能够聚合电磁波能量而形成单向光束。
　　基于磁光光子晶体单向边界模式与磁性微腔模式耦合的磁光存储系统。光存储系统是未来全光通信和全光计算的关键要素。基于有限元方法的仿真实验研究，设计了一种新型的光学存储系统。应用磁光光子晶体边界单向特性形成闭合回路，设计另外的单向波导和磁性微腔，电磁信号不仅能从闭合回路中取出，而且能写入回路。通过外加磁场控制微腔属性，可动态实现对电磁信号的读写操作。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2光子晶体简介

1.3 磁光光子晶体

1.4 磁光光子晶体的研究现状

1.5 本文的主要工作及结构安排

第二章 磁光光子晶体的研究方法

2.1 引言

2.2 光子晶体的理论分析方法

2.3 磁光光子晶体能带结构计算

2.4 本章小结

第三章 单向边界模式反向耦合形成的慢光波导

3.1 磁光光子晶体的单向边界模式

3.2 单向电磁边界模式的耦合形成的慢光波导

3.3 本章小结

第四章 单向边界模式的正向耦合形成的单向空气波导

4.1 单向空气波导结构的设计模型

4.2 单向空气波导结构与耦合距离d的分析

4.3 耦合模式的本征值模式场与单向空气波导的抗干扰验证

4.4 群速率和单向传输工作带宽与耦合距离d的关系

4.5 对单向空气波导耦合振子模式的分析

4.6 本章小结

第五章 基于单向边界模式与磁性微腔模式耦合的磁光存储系统

5.1 引言

5.2 磁光存储系统特性分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文