光子晶體計算方法和傳輸特性

方云團

（江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇鎮江212013）

光子晶體是一種新型的人工材料，由介電常數不同的材料在空間中周期分布形成。它于1987年分別由E.Yablonovitch和S.John獨立提出，但他們的研究側重點不同，前者目的是抑制光的自發輻射，后者關注的是光子局域。光子晶體和晶體的結構具有相似性，它們的控制方程——麥克斯韋方程組和薛定諤方程也具有相似性。因此光子晶體的很多概念和研究方法都可以從固體物理中借鑒類比得出，比如磁光光子晶體中的單向邊界模式可以由量子力學中的整數量子霍爾效應類比而來。光子晶體的主要性質是由它的帶隙結構決定。本期劉繼平等的論文對光子晶體能帶結構計算方法進行了推導和總結，主要用平面波展開法和基于有限元方法的COMSOL Multiphysics軟件計算同一參數下二維常規和函數光子晶體的帶隙結構，為相關研究人員提供了參考。

光子晶體的應用體現在它的缺陷結構，因為缺陷結構產生的缺陷模式引導電磁波沿著特定的路線傳播。缺陷有線缺陷和點缺陷兩種形式。一般來說，光子晶體的帶隙結構都是固定的，缺少調制的方法。本期張曉茹等的論文提出用點缺陷調制光子晶體帶隙結構的方法。點缺陷介質柱介電常數為空間坐標函數，形式為εr(r)=k r+b，其中，可調參數k的變化可由電光效應通過調節外加電場強度和電場分布來實現。當改變k時，二維光子晶體的帶隙位置、帶隙數目都會發生改變。應該說這是一種獨特的調制方式，為動態可調的光子器件的設計提供了思路。

現代集成光學的快速發展，對器件的小型化（Small)、集成化(System-integrated)、智能化(Smart)和功能化（Specialized)有了更高的要求。其中單向光波導和基于非互易傳輸原理的光隔離器是集成光學不可或缺的關鍵器件，也朝著4S方向發展。在激光二極管和光放大器工作時光隔離器由于單向傳輸的屬性可以阻止有害的反射，特別是在高速開關和寬帶通信中能保持系統的可靠性和穩定性。磁光材料由于獨特的磁光效應被廣泛地應用于非互易光波導器件的設計中。在外磁場作用下磁光材料的介電張量或磁導率張量出現非對角元，導致時間反轉對稱性破缺。但僅靠磁光材料本身實現的非互易性是很微弱的，一定需要和其他材料組合在一起進行結構上的設計。傳統的由塊狀磁光晶體制成的光隔離器由于體積大并需要起偏器等一些輔助設備明顯不適應光集成的要求。目前基于磁光效應和光集成回路的非互易光波導的優化設計目標主要集中在以下幾個方面：隔離度和消光比大、損耗小；用較小的外加磁場和體積產生非互易傳播，較大的和易于調節的工作帶寬；單向波導具有較強的抗擾動能力。為實現上述目標，研究者把磁光材料和其他材料組成特定的結構以增強磁光效應減小器件的體積實現特定的功能，其中把磁光材料與光子晶體結構相結合是一個重要方向。這是因為光子晶體結構特定的光局域場增強屬性能增強磁光效應。本期周青春教授的論文“Ce：YIG/SiO2多層膜光隔離器的設計”就開展了這方面研究。通過光子晶體幾何結構的設計和外加靜磁場的方向的轉動，實現了理想或近理想的磁光隔離器。