第一章绪论
1.1论文的研究背景光子晶体的研究现状与发展光子作为信息的载体，具有许多电子无法比拟的优势。最明显的优势就是光子在介质中的传播速度远远大于电子的传播速度。另外电介质材料的带宽比金属要大得多。通常的光纤通信系统的带宽都在THz数量级，然而有线电话的带宽只有几百kHzo而且光子之间相互作用很弱，不存在类似电子之间那么强的库仑相互作用，这样不仅可以减少能量损失，而且容易实现并行处理。因此，下一代器件无疑属于光器件。光子晶体是近二十年出现的一种新型人工结构功能材料，由于其在控制电磁波的传播方面具有普通光学器件所无法比拟的优良性能，因而光子晶体的研究在光学物理、凝聚态物理、电磁波、信息技术等领域引起了广泛的关注[’一。正是由于光子晶体的特殊性能和在光学、光电子学、信息科学中广泛的应用前景，有人预言光子晶体的研究有可能在21世纪推动信息技术产生新的突破将人类带入光子时代。
光子晶体的概念是1987年分别由S.John(7l和E.Yablonovich(gl各自独立提出来的。引起了世界各国科学家的研究热潮，随后经历了20年的发展，已经在微带[f9}}ol、光纤[”一，3l、集成光路(14-171等领域取得不少成果。近几年来，我国政府和科技界对光子晶体的研究也给予了相当的重视。光子晶体的研究先后得到了国家“863计划”(包含光电子器件和光电子、微电子系统集成技术主题，激光技术领域等方向)"973计划”(国家安全重大基础研究项目“军用光子/声子晶体基础研究”)的支持。2000年国家自然科学基金资助6项课题;2001年的指南中已列为重点研究项目，所资助的领域涉及光子晶体的理论研究、制备表征和应用等多个方向;2004年国家自然科学基金在重大基础研究项目中对光电信息功能材料(光子晶体)进行了重点资助((1000万人民币)。我国科学工作者在光子晶体材料的基础研究方面取得了一些令人瞩目的研究成果:我国中科院物理所顾本源等给出了一个普通描述光子晶体中辐射衰减的广义洛伦兹谱公式;中科院物理所光物理室提出了准晶和非晶光子晶体的概念;浙江大学何赛灵等提出了光子晶体负折射率介质的新应用;清华大学周济等提出了基于铁电陶瓷相变和光电效应的可调带隙光子晶体;复旦大学资剑教授课题提出了光子晶体偏振器;中国科学院物理研究所张道中教授提出的准晶结构光子晶体等均在国际同行中产生了一定的影响。
.2光子晶体的特性及应用光子晶体((photoniccrystal)是一种介质在另一种介质中周期排列所组成的人造晶体，因其结构和性质跟固体晶体相似而被称为光子晶体，其典型结构为一个折射率周期变化的三维物体，周期为光波长量级。根据组成光子晶体的介质在空间排列方式的不同，可将其分为一维、二维、三维光子晶体。三种光子晶体的空间结构如图1-1所示。(a)一维光子晶体(b)二维光子晶体((c)三维光子晶体图1-1光子晶体的空间结构示意图Fig.1-1Structureof1D/2D/3Dphotoniccrystal一维光子晶体是指在一个方向上具有光子频率禁带的材料，由两种或多种介质只在一个方向上呈周期性排列的结构，类似于波动光学中的多层介质膜材料。简单结构的一维光子晶体一般由两种介质交替排列而成，如图1-1(a)。
这种结构在垂直于介质片的方向上介电常数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质片平面的方向上介电常数不随空间位置而变化。二维光子晶体是指在二维的空间方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由许多介质柱平行而均匀地排列而成的，一般是指一种介质柱在另一种介质中的周期性排布，如图1-1伪)。这种结构在垂直于介质柱的方向上(两个方向)介电常数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质柱的方向上介电常数不随空间位置而变化。由介质柱阵列构成的二维光子晶体的横截面存在许多种结构，比如矩形、三角形和石墨的六边形结构等。三维光子晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料。三维光子晶体中介电常数的变化在空间的三个方向上都具有周期性，具有完全的光子带隙，即落在禁带频率范围内的电磁波不论沿哪个方向传播，都是被禁止的。美国贝尔通讯研究所的E.Yablonovitch创造出了世界上第一个具有完全光子频率禁带的三维光子晶
参考文献
[1] S.M. Abrarov, R.M. Abrarov. Broadening of band-gap in photonic crystals with optically saturatedmedia[J]. Optics Communications, 2008, 281:3131-3136
[2] K.Ravindra, Sinha, Yogita Kalra. Design of optical waveguide polarizer using photonic band gap [J].Optics Express, 2006
[3] M.Gianluca, P Daniele14(22):10790-10794M.AIessandro,S.M.Michela, C.Gabrie11a.2D photonic crystalWDM mul如lexer[J]. Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications,2007,5:164-
[4] Z. Xiangdong. Demonstration of a new transport regime of photon in two dimensionalcrystal[J]. Physics Letters A, 2008, 372:3512-3516
[5] Huang Shih-Chieh, Kato Masao, Kuramochi Eiichi, LeeChien-Ping, Notomi Masaya. Time-domainand spectral-domain investigation of inflection-point slow-light modes in photonic
[6] J.P McClymer, H.M.2007,15(6):3543-3549Photon localization in a nematic liquid crystal [J].Phys.Rev.A., 200979:031802-031805
[7] S.John. Strong localization of photons in certain disordered dielectric super lattices [J]Phys.Rev.lett.,1987,58(23):2486-2489
[8] E.Yablonovitch. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and eletronics [J]. Phys
[9] W.Rev.lett.,1987,58(20):2059-2062Serbin Jesper, Gu Min. Two-photon polymerisation for three dimensionalmicro-fabrication[J]. Journal of Photochemistry and PhotobiologyA, 2006,181(1):1一11
[10] Ioannis Chremmos, Nikolaos Uzunoglu. Propagation in a directionalcoupled-resonator opticalwaveguides[J].Optics Communications, 2008coupler of parallel microring，281:3381-3389
[11]Rakhi Bhattacharya, S. Konar. Design of a Photonic Crystal Fiber with Zero Dispersion WavelengthNear 0.65pm [J]. Fiber and Integrated Optics, 2008, 27: 89-98
[ 12] A. H. Bouk, A. Cucinotta, F. Poli, S. Selleri.Dispersion properties of square-latticephotonic crystal fibers[J). 2004,伽tics Express,l2(5):941-946sblunwen.com
[13] Jesper Lagsgaard, Niels Asger Mortensen, Jesper Riishede, Anders Bjarklev Material effects inair-guiding photonic bandgap fibers[J]. Opt.Soc.Am.B, 2003, 20(10): 2046-2051
[14] Wang Hui, P.Fleming Christine, M.Rollins Andrew. Ultrahigh-resolution optical coherencetomography at 1.15 }m using photonic crystal fiber with no zero-dispersion wavelengths [J]. Optics Express,
[15] Zheng Wanhua, Xing Mingxin, Ren Gang, Cz Johnson Steven, Zhou Wenjun, Chen Wei, ChenLianghui. Integration of a photonic crystal polarization beam sputter and waveguide bend [J].Optics
摘要 4-6
ABSTRACT 6-7
第一章 绪论 15-24
1.1 论文的研究背景 15-19
1.1.1 光子晶体的研究现状与发展 15
1.1.2 光子晶体的特性及应用 15-19
1.1.3 光子晶体光开关的应用 19
1.2 光子晶体光开关的研究进展 19-22
1.2.1 光子晶体光开关的实现方法 19-21
1.2.2 光子晶体耦合波导光开关的研究历史与发展 21-22
1.2.3 光子晶体光开关的研究前景及存在的问题 22
1.3 本论文的主要工作 22-24
第二章 FDTD理论模型 24-42
2.1 光子晶体的理论分析方法简述 24-26
2.1.1 平面波展开法(PWE) 24-25
2.1.2 时域有限差分法(FDTD) 25
2.1.3 传输矩阵法(TMM) 25
2.1.4 N阶法(Order N) 25-26
2.1.5 多重散射法 26
2.2 FDTD在模拟光波导方面的优势和进展 26-27
2.3 FDTD数值建模 27-41
2.3.1 FDTD的差分格式 27-28
2.3.2 Yee氏网格 28-29
2.3.3 电磁场 Maxwell方程组 29-30
2.3.4 Maxwell旋度方程的差分形式 30-33
2.3.5 二维情况下的FDTD 33-36
2.3.6 数值稳定性条件 36-37
2.3.7 吸收边界条件 37-39
2.3.8 激励源 39-41
2.4 本章小结 41-42
第三章 二维光子晶体波导的 FDTD模拟研究 42-59
3.1 二维光子晶体的特性研究 42-47
3.1.1 两种基本结构 42
3.1.2 能带特征 42-45
3.1.3 能带结构变化规律研究 45-47
3.2 二维光子晶体波导的特性研究 47-51
3.2.1 光子晶体线缺陷波导 47-49
3.2.2 光子晶体波导的特性 49-50
3.2.3 光子晶体光波导器件 50-51
3.3 光子晶体波导耦合器 51-56
3.3.1 光子晶体波导定向耦合器的基本结构 51
3.3.2 光子晶体波导定向耦合原理 51-54
3.3.3 实现定向耦合功能的设计 54-56
3.4 光子晶体波导定向耦合器的应用 56-58
3.5 本章小结 58-59
第四章 二维光子晶体波导方向耦合全光开关 59-70
4.1 引言 59-60
4.2 光子晶体定向耦合器型全光开关 60-63
4.2.1 基本结构 60-61
4.2.2 光开关功能的实现 61
4.2.3 讨论 61-63
4.3 定向耦合器型全光开关中的双光子吸收效应 63-69
4.3.1 基本结构 63-64
4.3.2 考虑非线性吸收的 FDTD方法 64-66
4.3.3 数值计算与分析 66-68
4.3.4 结论 68-69
4.4 本章小结 69-70
第五章 结论 70-72
参考文献 72-78
致谢 78-79
研究成果及发表的学术论文 79-80
作者简介 80