电磁波单向导波及相关非互易功能器件研究

摘要

结合磁光效应与光子晶体结构的磁光光子晶体是光子晶体研究领域的一个新热点。磁光光子晶体可通过外磁场，改变磁光晶体介电常数张量或磁导率张量中的非对角元，产生旋电或旋磁各向异性，破坏系统的时间反演对称性，从而实现电磁波的单向传输。基于磁光光子晶体单向边界模的非互易器件在光通信、光学集成芯片等领域具有重要的应用价值。
　　 本文首先采用改进的平面波展开法(PWEM)分析了二维磁光光子晶体的能带特性，得出了能带分布与晶格类型、结构参数及外磁场强度的关系。本文还利用超晶胞模型研究了单向光子晶体波导的色散曲线特性。
　　 在上述研究的基础上，本文提出了一种新型的谐振腔结构，即基于单向光子晶体波导的谐振腔结构。本文研究了该谐振腔结构与普通光子晶体波导的耦合情况，并基于耦合理论设计了一套谐振腔-波导耦合系统。本文提出的谐振腔结构利用了磁光光子晶体的单向边界模，具有高品质因数、单向传输且回旋方向可控的特性。仿真结果表明，通过优化结构设计，该谐振腔的品质因数超过105。
　　 针对传统分束器难以兼顾工作带宽、传输率、结构实现复杂度等问题的缺点，本文提出利用单向光子晶体波导构成T型分束器和Y型分束器，所提出的分束器具有结构简单、制作工艺要求低的特点。此外，本文还提出在这些分束器的中心区域引入一个位置可调的介质柱，从而实现能量在不同输出端口间的任意分配。仿真结果表明，所提出的分束器传输率都接近100％，且带宽大、易于匹配。
　　 最后，本文提出了一种结构更加简单的新型单向平板波导的概念，即仅由一块旋磁材料平板和空气层构成平板波导。理论分析结果表明，通过调节空气层的厚度，可以使波导中的电磁波在某个频段内只存在一个方向的传输模式，从而实现单向波导。
　　 综上所述，本文在磁光光子晶体的基本性质、单向光子晶体边界模及其非互易性功能器件等方面取得了一些有学术价值和应用前景的研究成果。此外，本文还在新型单向平板波导方面做了有益的探索工作。本文的研究工作将对磁光光子晶体及单向导波技术走向实用起到一定的促进作用。