磁性光子晶体光学特性的理论和实验研究

光子晶体可以利用其带隙效应和缺陷效应很好地操纵和控制光子的传输。磁性材料具有各种磁光效应，利用这些效应可以实现各种磁光器件。由磁性材料构成的光子晶体将综合二者特性，产生更丰富的新现象和新效应，得到更广泛的应用。本项目将从理论和实验两方面研究磁性光子晶体的物理特性和光学特性。理论上利用基于平面波展开的传递矩阵方法探索一维、二维和三维磁性光子晶体的新特性和新现象，为磁性光子晶体实验提供理论上的指导。实验上将制作微波波段的磁性光子晶体结构和器件，验证理论上发现的各种新现象和新效应。我们将针对某些有特殊重要意义的磁光器件，比如单向导通的波导、光隔离器、光循环器、以及磁性可调谐的负折射和超棱镜器件等，重点开展理论和实验工作，进行优化设计，评估和改善其性能。并在此基础上，根据理论提出的新特性和新现象，设计和实现一些新型的磁性光子晶体光学器件。

磁光光子晶体综合光子晶体和磁性材料二者的特性，可以产生更丰富的新现象和新效应。本项目理论结合实验研究了由磁性材料YIG构成的正方晶格的磁光光子晶体能带特性，发现除了存在一般的布拉格散射光子带隙，在外加磁场的作用下，会产生两个新的带隙：狄拉克-布拉格带隙和磁表面等离子体带隙。在这两个带隙中都会产生类似于电子霍尔效应中的手性边沿态，我们详细分析了其不同的内在产生机制。在狄拉克-布拉格带隙中，我们实现了基于手性边沿态的单向波导，分析了其单向特性，杂质免疫特性，及不同宽度的模式特征；另外，我们还分析了此带隙中微腔的磁场调谐特性。在此基础上，我们设计了基于单向波导和磁光光子晶体微腔的单向通带截止滤波器和单向通道下载滤波器。在磁表面等离子体带隙中，我们不仅详细分析了手性边沿态形成机理，还实现了基于此手性边沿态的单向波导，并研究了单向特性，杂质免疫特性，及强大的抵抗晶格无序的能力。这些结果对于光集成中单向器件，波导、隔离器、循环器等设计中有重要的应用价值。