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5.2 基于磁性光子晶体自准直特性的弯曲器和分束器设计 .. 36
5.2.1 基于磁性光子晶体自准直特性的频率可调 90 度弯曲器设计. 36
5.2.2 基于磁性光子晶体自准直特性的频率可调 T 型弯曲器设计.. 37
5.2.3 基于磁性光子晶体自准直特性的功率可控分束器设计 38
结论 40
参考文献 .. 41
致谢 45
1 绪论 1.1 光子晶体简介 人类历史上许多重大的技术突破都来源于人们对材料性能更深刻的理解。上世纪半导体物理学的研究成果，引领半导体产业在随后的几十年里飞速发展，推动了人类文明的进步。近二、三十年，随着光子晶体研究的突破，运用人工材料控制电磁波的传播成为现实，这极可能引领又一次技术革命。
光子晶体（Photonic Crystal ,PC）是由Eli Yablonovitch 教授和 John教授于1987年提出[1, 2]的一种折射率周期性改变的人工材料，电磁波在其中传播时，由于受到周期性调制而出现光子能带。调整结构参数至适当数值，能带间会出现间隙，称为光子带隙或光子禁带。光子晶体不能传输处于带隙中的电磁波，从而可以通过设计光子晶体的结构及其他参数实现对电磁波传播的控制[3]。 其实自然界中也有光子晶体，例如原产于澳洲的蛋白石[4]、蝴蝶翅膀的覆盖层[5]以及孔雀羽毛的羽枝[6]。是孔雀羽毛及小羽枝横截面的电子显微镜图。由图可见小羽枝两边的皮层具有典型的二维光子晶体结构，示意图中灰色背景为角蛋白，黑色圆点为黑色素圆柱，白点是空气孔。该结构对在其中传播的光具有控制作用，落在带隙中的光不能通过而被选择性反射。不同颜色的小羽枝皮层的结构参数不同，光子带隙的频率范围也不同，因此反射光的波长范围也不尽相同，使得孔雀羽毛表现出多彩的颜色。 孔雀羽毛及小羽枝横截面的电子显微镜图 与自然界中存在的光子晶体结构相比，人工设计出的光子晶体结构显然更多。但由于光波段光子晶体的几何尺度在纳米量级，其制备和测试仍然非常困难。相较之下微波段光子晶体的几何尺度要大得多，其加工工艺和测试都非常成熟，这使得微波光子晶体的实用研究更加迅速。1991 年，人类实际制备的第一个人工光子晶体的带隙便位于 13GHz~ 15GHz[7]。1998 年，Vesna 等制作出高增益、大带宽的光子晶体放大器；Rumsey 的团队也制作出宽带滤波器。近 20 年来光子晶体在微波段的波导、微腔、微带天线等等方面的应用越来越广泛，同时微波电路方面也取得了一些突破。就国内而言，在光子晶体微波天线方面取得了长足发展，极大提高了天线的性能[8,9]。 光子晶体依照空间分布维度，可以分为一维、二维、三维光子晶体，示意图分别见于图1.2(a)、(b)、(c)[10]。 图 1.2 光子晶体结构示意图 （a）一维（1-D）（b）二维（2-D）（c）三维（3-D） 一维光子晶体（1-DPC）的结构与布拉格光栅类似，由两种不同材料在单一方向上周期性排列而成，空间上周期性出现结构称之为晶胞，其空间尺度 a 为晶格常数，如图 1.2（a）中所示。通常情况下晶格常数与工作波段波长处于相同数量级，比如微波段的晶格常数一般在1cm左右。 二维光子晶体（2DPC）是由两种或两种以上不同介电常数的介质在二维平面内周期性排列，同时在纵向上均匀分布而成。二维光子晶体在介质分布平面方向和介质均匀方向都具有带隙特性，两个方向带隙的典型应用分别为光子晶体波导和光子晶体光纤。相较于一维光子晶体，二维光子晶体具有更加丰富的结构形态，因而二维光子晶体的能带结构也更加多样，设计更加灵活。与三维光子晶体相比，二维光子晶体结构相对简单，方便建模仿真，易于制备。因此二维光子晶体是目前三种光子晶体中研究最热的方向。