二维磁性光子晶体环行器及其在微波频段上的研制

近年来，光子晶体引发了人们极大的研究兴趣。研究表明：磁性光子晶体中的法拉第旋光效应会得到极大增强，几微米的磁性材料就可提供光路中所需的非互易量，从而制作出光子晶体微型器件。本项目分析探讨二维磁性光子晶体环行器及其在微波频段的实现。重点分析二维磁性光子晶体波导结腔处置有铁氧体铋铁石榴石时的电磁场变化，并进行相应的电磁场数值计算及环行器外部性能计算，以提供微型磁性光子晶体结腔结构及二维磁性光子晶体环行器设计。实验方面则研制微波频段的二维磁性光子晶体环行器，隔离度>26dB，插入损耗<0.3dB；为光子晶体光集成中实现环行器做准备。环行器等在通信系统中用得非常广泛，这类器件虽已产品化，但能用于光集成的光子晶体情况下的新型环行器国内外还没有，其研究务必早立项。本项目结合申请人熟悉的非互易旋磁器件研究和热门的光子晶体研究提出申请，申请人有信心在理论和实验两方面做好光子晶体环行器研究。

对磁性光子晶体环行器，我们首先研究了一个具有三角形晶格空洞构成的二维磁性光子晶体，并利用电磁场分析研究引入线缺陷构造光子晶体波导并生成二维光子晶体结腔。利用光子晶体波导，我们构造了三端口或多端口结腔。在光子晶体中引入点缺陷，偏离缺陷频率的光将迅速衰减。对点缺陷，相当于存在着一个微腔。如在光子晶体中引入的点缺陷是铁氧体铋铁石榴石（BIG）圆球，则在外加恒定磁场时，微腔中的电磁场场量将发生分裂，而利用这种分裂，就可以制作出环行器来。我们分析了二维磁性光子晶体波导结腔位置处放置铋铁石榴石时的局部电磁场分布及其变化。在没有外磁场时，进行相应的电磁场数值计算，设计结腔处铋铁石榴石位置的等效谐振器样品。我们分析得到了结腔谐振频率与旋磁材料尺寸间的关系，以提供合适的微型磁性光子晶体结腔。我们将含有铋铁石榴石的二维磁性光子晶体结腔等效为一个谐振器。在有外磁场时，我们利用在毫米波波导环行器中提出的一种分析环行器的修正模式理论来获得环行器外部性能我们利用严格的电磁场理论分析，获得了具有良好隔离度与插入损耗性能的磁性光子晶体环行器的结构参数及材料参数设计。即在有外磁场时，采用简单的本征模式的叠加来分析磁性光子晶体环行器的本征频率分裂并获得其外部性能，即隔离度和插入损耗。研制微波频段的二维磁性光子晶体环行器主要原因还来自相关介质材料和磁材料在微波频段容易制备；同时也考虑了国内和深圳市的相关生产及工艺水平。我们针对研究目标，给出了二维磁性光子晶体环行器的工程设计。在光子晶体中引入的点缺陷是铁氧体铋铁石榴石（BIG）圆球，而该圆球的半径一般小于二维光子晶体的晶格尺寸。在研制出符合工程需要的二维磁性光子晶体环行器方面，在完成前述研究内容的基础上，我们研制的是微波频段的二维磁性光子晶体环行器，隔离度>26dB与插入损耗<0.3dB。目前，结合国内的条件，由于制备光子晶体有些困难，主要是加工量太少而加工的介质柱自己组装精度达不到要求等，目前部分工作还在进行中。主要工作反映在发表于optics express和Applied Physics B(lasers and optics )以及光子学报、光学学报等6篇刊物文章和另外的几篇会议文章中。