光子晶体应用理论研究
目 录内容简介
《光子晶体应用理论研究》以光子晶体功能器件的理论设计为切入点进入光子晶体研究领域，研究内容包括如下相关的四个方面：
（1）仿真平台建立。光子晶体是一个复杂的多组元结构，难以得到其能带结构及传输特性的解析解，通常只能采用近似的处理方法或数值模拟。为了对光子晶体功能器件进行深入理论分析，首先需要建立完整的光子晶体设计和仿真平台。对于实际的光子晶体三维数值模拟，FDTD算法需要更大的存储容量和更长的计算时间，为了解决此问题，需要建立高性能并行计算平台。
（2）功能器件原理结构设计。本课题主要从类比、优化改进、提出等三个途径开展光子晶体功能器件原理结构设计：类比传统介质波导波分复用器设计光子晶体波分复用器；优化Y．H．Lee研究小组提出的电激励光子晶体激光腔结构；研究新的光子晶体波导腔原理和新型光子晶体光开关原理；研究光子晶体环形腔的转动效应。
（3）耦合技术研究。基于光子晶体的功能器件特征尺度为光波长，比传统光学器件体积小得多。因此，对于未来的集成光学系统来说，光子晶体功能器件和传统光学器件之间的高效耦合是光子晶体器件应用的一个关键技术。
（4）制备误差分析。在光子晶体功能器件的制备过程中，由于工艺水平、实验设备等条件的限制，制作出来的光子晶体结构并不能满足严格的空间周期性，绝大多数情况下会与理想光子晶体有一定的随机误差。这种误差对光子晶体功能器件的性能有着怎样的影响也是本课题研究的内容。
围绕以上四个相关的内容，本书研究得到的主要结果如下：
（1）用FDTD和VC++开发了能够仿真包含非线性、金属以及各种缺陷的二维光子晶体软件。软件具有良好的用户界面，能够交互地、直观地、简洁地建立各种复杂结构的二维光子晶体模型。构建了用于高性能并行计算的微机机群环境，用MPI+FORTRAN设计了一个基于此机群环境的三维并行FDTD程序。光子晶体二维、三维完整仿真平台的建立为本书及以后的光子晶体理论研究打下了基础。该研究结果已正式发表（光学学报，23（5），522（2003）；光子学报，35（6），815（2006）；光子学报33（6），700（2004）；光通信技术，27（12），20（2003））。
（2）类比传统介质波导波分复用器分别提出了基于光子晶体定向耦合和多模干涉效应的两种粗波分复用器结构。这两种类型的光子晶体波分复用器都能高隔离度（约20dB）宽带宽（约20nm）地将不同波长的波分离开。该研究结果已正式发表（PhysicsLetter A，372（14），2534（2008）；光学学报，23（10），1237（2003）；光学技术，30（4），417（2004））。
（3）提出了一种基于驻波不同位置处非线性效应不同的光控光原理，并根据这个新的原理设计了一个包含三个非线性圆柱的直角波导和一个“T”型波导的二维光子晶体结构。这种光子晶体结构能够高速度（瞬时非线性效应）、低阈值、宽带宽（约50rim）和高对比度（约40dB）的实现不同频率或者同频率的光控光开关功能和光的与运算。该研究结果已正式发表（Optics Exprss，14（5），1783（2006））。
（4）优化了Y．H．Lee研究小组提出的电激励光子晶体单缺陷激光腔结构，将工作模式的Q值和Purcell因子分别提高7倍和6．8倍。该研究结果已正式发表（Joumal ofthe Optical Society 0f America B，24（1），37（2007））。
（5）提出了一种基于模式控制的光子晶体波导腔原理，即用两个仅支持0阶模的单模窄波导来约束多模波导中的l阶模。
（6）探讨性地将时域有限差分方法用于转动坐标系下光子晶体理论研究，导出了转动坐标系下的差分方程和PML边界条件，研究了光子晶体环形腔的转动特性。研究结果已正式发表（光学学报，25（10），1415（2005））。
（7）提出了用级联缓变波导解决传统介质波导和光子晶体波导之间耦合问题的新思路，其中折射率缓变部分分别由波导两边的半径按线性方式逐渐增大的空气孔实现。结果表明，在光子晶体禁带范围内，耦合系数一般在80％以上，最高可达95％。研究结果已正式发表（光子学报，37（8），1517（2008））。
（8）提出了用耦合腔准直光子晶体波导口出射光的方法，其准直原理可以由测不准原理解释。结果表明，这种方法能宽带宽（约100nm）和小发散角（约-10°到+10°）地实现光的输出准直。该研究结果已正式发表（Applied Physics B，86（2），327（2007））。
（9）讨论了光子晶体制作过程中圆柱半径和晶格常数随机误差对光子晶体微腔和波导性能的影响。并根据这种影响，讨论了随机误差对光子晶体功能器件的影响，定性地得到了优化Y．H．Yee小组微腔结构的方法和基于多模干涉效应波分复用器容错能力较强的结论。该研究结果已正式发表（Applied Physics B，88（2），231（2007）；光学学报，24（6），847（2004））。
总之，本书在光子晶体应用理论研究方面从建立完整的仿真平台入手，重点对提出的新型光子晶体功能器件及相关耦合系统进行了结构设计和性能仿真，最后研究了实验制作中不可避免的制备误差对光子晶体带隙特性和光子晶体功能器件性能的影响。本书的研究成果，对于推动光子晶体的实际应用具有重要的理论指导意义。
《光子晶体应用理论研究》研究工作由973项目“光子/声子晶体基础研究”资助，已于2006年通过结题验收。
（1）仿真平台建立。光子晶体是一个复杂的多组元结构，难以得到其能带结构及传输特性的解析解，通常只能采用近似的处理方法或数值模拟。为了对光子晶体功能器件进行深入理论分析，首先需要建立完整的光子晶体设计和仿真平台。对于实际的光子晶体三维数值模拟，FDTD算法需要更大的存储容量和更长的计算时间，为了解决此问题，需要建立高性能并行计算平台。
（2）功能器件原理结构设计。本课题主要从类比、优化改进、提出等三个途径开展光子晶体功能器件原理结构设计：类比传统介质波导波分复用器设计光子晶体波分复用器；优化Y．H．Lee研究小组提出的电激励光子晶体激光腔结构；研究新的光子晶体波导腔原理和新型光子晶体光开关原理；研究光子晶体环形腔的转动效应。
（3）耦合技术研究。基于光子晶体的功能器件特征尺度为光波长，比传统光学器件体积小得多。因此，对于未来的集成光学系统来说，光子晶体功能器件和传统光学器件之间的高效耦合是光子晶体器件应用的一个关键技术。
（4）制备误差分析。在光子晶体功能器件的制备过程中，由于工艺水平、实验设备等条件的限制，制作出来的光子晶体结构并不能满足严格的空间周期性，绝大多数情况下会与理想光子晶体有一定的随机误差。这种误差对光子晶体功能器件的性能有着怎样的影响也是本课题研究的内容。
围绕以上四个相关的内容，本书研究得到的主要结果如下：
（1）用FDTD和VC++开发了能够仿真包含非线性、金属以及各种缺陷的二维光子晶体软件。软件具有良好的用户界面，能够交互地、直观地、简洁地建立各种复杂结构的二维光子晶体模型。构建了用于高性能并行计算的微机机群环境，用MPI+FORTRAN设计了一个基于此机群环境的三维并行FDTD程序。光子晶体二维、三维完整仿真平台的建立为本书及以后的光子晶体理论研究打下了基础。该研究结果已正式发表（光学学报，23（5），522（2003）；光子学报，35（6），815（2006）；光子学报33（6），700（2004）；光通信技术，27（12），20（2003））。
（2）类比传统介质波导波分复用器分别提出了基于光子晶体定向耦合和多模干涉效应的两种粗波分复用器结构。这两种类型的光子晶体波分复用器都能高隔离度（约20dB）宽带宽（约20nm）地将不同波长的波分离开。该研究结果已正式发表（PhysicsLetter A，372（14），2534（2008）；光学学报，23（10），1237（2003）；光学技术，30（4），417（2004））。
（3）提出了一种基于驻波不同位置处非线性效应不同的光控光原理，并根据这个新的原理设计了一个包含三个非线性圆柱的直角波导和一个“T”型波导的二维光子晶体结构。这种光子晶体结构能够高速度（瞬时非线性效应）、低阈值、宽带宽（约50rim）和高对比度（约40dB）的实现不同频率或者同频率的光控光开关功能和光的与运算。该研究结果已正式发表（Optics Exprss，14（5），1783（2006））。
（4）优化了Y．H．Lee研究小组提出的电激励光子晶体单缺陷激光腔结构，将工作模式的Q值和Purcell因子分别提高7倍和6．8倍。该研究结果已正式发表（Joumal ofthe Optical Society 0f America B，24（1），37（2007））。
（5）提出了一种基于模式控制的光子晶体波导腔原理，即用两个仅支持0阶模的单模窄波导来约束多模波导中的l阶模。
（6）探讨性地将时域有限差分方法用于转动坐标系下光子晶体理论研究，导出了转动坐标系下的差分方程和PML边界条件，研究了光子晶体环形腔的转动特性。研究结果已正式发表（光学学报，25（10），1415（2005））。
（7）提出了用级联缓变波导解决传统介质波导和光子晶体波导之间耦合问题的新思路，其中折射率缓变部分分别由波导两边的半径按线性方式逐渐增大的空气孔实现。结果表明，在光子晶体禁带范围内，耦合系数一般在80％以上，最高可达95％。研究结果已正式发表（光子学报，37（8），1517（2008））。
（8）提出了用耦合腔准直光子晶体波导口出射光的方法，其准直原理可以由测不准原理解释。结果表明，这种方法能宽带宽（约100nm）和小发散角（约-10°到+10°）地实现光的输出准直。该研究结果已正式发表（Applied Physics B，86（2），327（2007））。
（9）讨论了光子晶体制作过程中圆柱半径和晶格常数随机误差对光子晶体微腔和波导性能的影响。并根据这种影响，讨论了随机误差对光子晶体功能器件的影响，定性地得到了优化Y．H．Yee小组微腔结构的方法和基于多模干涉效应波分复用器容错能力较强的结论。该研究结果已正式发表（Applied Physics B，88（2），231（2007）；光学学报，24（6），847（2004））。
总之，本书在光子晶体应用理论研究方面从建立完整的仿真平台入手，重点对提出的新型光子晶体功能器件及相关耦合系统进行了结构设计和性能仿真，最后研究了实验制作中不可避免的制备误差对光子晶体带隙特性和光子晶体功能器件性能的影响。本书的研究成果，对于推动光子晶体的实际应用具有重要的理论指导意义。
《光子晶体应用理论研究》研究工作由973项目“光子/声子晶体基础研究”资助，已于2006年通过结题验收。
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