光子晶体计算方法和传输特性

方云团

（江苏大学计算机科学与通信工程学院，江苏镇江212013）

光子晶体是一种新型的人工材料，由介电常数不同的材料在空间中周期分布形成。它于1987年分别由E.Yablonovitch和S.John独立提出，但他们的研究侧重点不同，前者目的是抑制光的自发辐射，后者关注的是光子局域。光子晶体和晶体的结构具有相似性，它们的控制方程——麦克斯韦方程组和薛定谔方程也具有相似性。因此光子晶体的很多概念和研究方法都可以从固体物理中借鉴类比得出，比如磁光光子晶体中的单向边界模式可以由量子力学中的整数量子霍尔效应类比而来。光子晶体的主要性质是由它的带隙结构决定。本期刘继平等的论文对光子晶体能带结构计算方法进行了推导和总结，主要用平面波展开法和基于有限元方法的COMSOL Multiphysics软件计算同一参数下二维常规和函数光子晶体的带隙结构，为相关研究人员提供了参考。

光子晶体的应用体现在它的缺陷结构，因为缺陷结构产生的缺陷模式引导电磁波沿着特定的路线传播。缺陷有线缺陷和点缺陷两种形式。一般来说，光子晶体的带隙结构都是固定的，缺少调制的方法。本期张晓茹等的论文提出用点缺陷调制光子晶体带隙结构的方法。点缺陷介质柱介电常数为空间坐标函数，形式为εr(r)=k r+b，其中，可调参数k的变化可由电光效应通过调节外加电场强度和电场分布来实现。当改变k时，二维光子晶体的带隙位置、带隙数目都会发生改变。应该说这是一种独特的调制方式，为动态可调的光子器件的设计提供了思路。

现代集成光学的快速发展，对器件的小型化（Small)、集成化(System-integrated)、智能化(Smart)和功能化（Specialized)有了更高的要求。其中单向光波导和基于非互易传输原理的光隔离器是集成光学不可或缺的关键器件，也朝着4S方向发展。在激光二极管和光放大器工作时光隔离器由于单向传输的属性可以阻止有害的反射，特别是在高速开关和宽带通信中能保持系统的可靠性和稳定性。磁光材料由于独特的磁光效应被广泛地应用于非互易光波导器件的设计中。在外磁场作用下磁光材料的介电张量或磁导率张量出现非对角元，导致时间反转对称性破缺。但仅靠磁光材料本身实现的非互易性是很微弱的，一定需要和其他材料组合在一起进行结构上的设计。传统的由块状磁光晶体制成的光隔离器由于体积大并需要起偏器等一些辅助设备明显不适应光集成的要求。目前基于磁光效应和光集成回路的非互易光波导的优化设计目标主要集中在以下几个方面：隔离度和消光比大、损耗小；用较小的外加磁场和体积产生非互易传播，较大的和易于调节的工作带宽；单向波导具有较强的抗扰动能力。为实现上述目标，研究者把磁光材料和其他材料组成特定的结构以增强磁光效应减小器件的体积实现特定的功能，其中把磁光材料与光子晶体结构相结合是一个重要方向。这是因为光子晶体结构特定的光局域场增强属性能增强磁光效应。本期周青春教授的论文“Ce：YIG/SiO2多层膜光隔离器的设计”就开展了这方面研究。通过光子晶体几何结构的设计和外加静磁场的方向的转动，实现了理想或近理想的磁光隔离器。