方云團(tuán)

（江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

光子晶體是一種新型的人工材料，由介電常數(shù)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(dú)立提出，但他們的研究側(cè)重點(diǎn)不同，前者目的是抑制光的自發(fā)輻射，后者關(guān)注的是光子局域。光子晶體和晶體的結(jié)構(gòu)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(xué)中的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)類比而來。光子晶體的主要性質(zhì)是由它的帶隙結(jié)構(gòu)決定。本期劉繼平等的論文對光子晶體能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算方法進(jìn)行了推導(dǎo)和總結(jié)，主要用平面波展開法和基于有限元方法的COMSOL Multiphysics軟件計(jì)算同一參數(shù)下二維常規(guī)和函數(shù)光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)，為相關(guān)研究人員提供了參考。

光子晶體的應(yīng)用體現(xiàn)在它的缺陷結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿毕萁Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的缺陷模式引導(dǎo)電磁波沿著特定的路線傳播。缺陷有線缺陷和點(diǎn)缺陷兩種形式。一般來說，光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)都是固定的，缺少調(diào)制的方法。本期張曉茹等的論文提出用點(diǎn)缺陷調(diào)制光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)的方法。點(diǎn)缺陷介質(zhì)柱介電常數(shù)為空間坐標(biāo)函數(shù)，形式為εr(r)=k r+b，其中，可調(diào)參數(shù)k的變化可由電光效應(yīng)通過調(diào)節(jié)外加電場強(qiáng)度和電場分布來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)改變k時，二維光子晶體的帶隙位置、帶隙數(shù)目都會發(fā)生改變。應(yīng)該說這是一種獨(dú)特的調(diào)制方式，為動態(tài)可調(diào)的光子器件的設(shè)計(jì)提供了思路。

現(xiàn)代集成光學(xué)的快速發(fā)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(dǎo)和基于非互易傳輸原理的光隔離器是集成光學(xué)不可或缺的關(guān)鍵器件，也朝著4S方向發(fā)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?shù)膶傩钥梢宰柚褂泻Φ姆瓷?，特別是在高速開關(guān)和寬帶通信中能保持系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。磁光材料由于獨(dú)特的磁光效應(yīng)被廣泛地應(yīng)用于非互易光波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)中。在外磁場作用下磁光材料的介電張量或磁導(dǎo)率張量出現(xiàn)非對角元，導(dǎo)致時間反轉(zhuǎn)對稱性破缺。但僅靠磁光材料本身實(shí)現(xiàn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)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(shè)備明顯不適應(yīng)光集成的要求。目前基于磁光效應(yīng)和光集成回路的非互易光波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)主要集中在以下幾個方面：隔離度和消光比大、損耗?。挥幂^小的外加磁場和體積產(chǎn)生非互易傳播，較大的和易于調(diào)節(jié)的工作帶寬；單向波導(dǎo)具有較強(qiáng)的抗擾動能力。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，研究者把磁光材料和其他材料組成特定的結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)磁光效應(yīng)減小器件的體積實(shí)現(xiàn)特定的功能，其中把磁光材料與光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合是一個重要方向。這是因?yàn)楣庾泳w結(jié)構(gòu)特定的光局域場增強(qiáng)屬性能增強(qiáng)磁光效應(yīng)。本期周青春教授的論文“Ce：YIG/SiO2多層膜光隔離器的設(shè)計(jì)”就開展了這方面研究。通過光子晶體幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和外加靜磁場的方向的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了理想或近理想的磁光隔離器。