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内容简介
《光子晶体应用理论研究》以光子晶体功能器件的理论设计为切入点进入光子晶体研究领域，研究内容包括如下相关的四个方面：
（1）仿真平台建立。光子晶体是一个复杂的多组元结构，难以得到其能带结构及传输特性的解析解，通常只能采用近似的处理方法或数值模拟。为了对光子晶体功能器件进行深入理论分析，先需要建立完整的光子晶体设计和仿真平台。对于实际的光子晶体三维数值模拟，FDTD算法需要更大的存储容量和更长的计算时间，为了解决此问题，需要建立高性能并行计算平台。
（2）功能器件原理结构设计。本课题主要从类比、优化改进、提出等三个途径开展光子晶体功能器件原理结构设计：类比传统介质波导波分复用器设计光子晶体波分复用器；优化Y．H．Lee研究小组提出的电激励光子晶体激光腔结构；研究新的光子晶体波导腔原理和新型光子晶体光开关原理；研究光子晶体环形腔的转动效应。
（3）耦合技术研究。基于光子晶体的功能器件特征尺度为光波长，比传统光学器件体积小得多。因此，对于未来的集成光学系统来说，光子晶体功能器件和传统光学器件之间的耦合是光子晶体器件应用的一个关键技术。
（4）制备误差分析。在光子晶体功能器件的制备过程中，由于工艺水平、实验设备等条件的限制，制作出来的光子晶体结构并不能满足严格的空间周期性，绝大多数情况下会与理想光子晶体有一定的随机误差。这种误差对光子晶体功能器件的性能有着怎样的影响也是本课题研究的内容。
围绕以上四个相关的内容，本书研究得到的主要结果如下：
（1）用FDTD和VC++开发了能够仿真包含非线性、金属以及各种缺陷的二维光子晶体软件。软件具有良好的用户界面，能够交互地、直观地、简洁地建立各种复杂结构的二维光子晶体模型。构建了用于高性能并行计算的微机机群环境，用MPI+FORTRAN设计了一个基于此机群环境的三维并行FDTD程序。光子晶体二维、三维完整仿真平台的建立为本书及以后的光子晶体理论研究打下了基础。该研究结果已正式发表（光学学报，23（5），522（2003）；光子学报，35（6），815（2006）；光子学报33（6），700（2004）；光通信技术，27（12），20（2003））。
（2）类比传统介质波导波分复用器分别提出了基于光子晶体定向耦合和多模干涉效应的两种粗波分复用器结构。这两种类型的光子晶体波分复用器都能高隔离度（约20dB）宽带宽（约20nm）地将不同波长的波分离开。该研究结果已正式发表（PhysicsLetter A，372（14），2534（2008）；光学学报，23（10），1237（2003）；光学技术，30（4），417（2004））。
（3）提出了一种基于驻波不同位置处非线性效应不同的光控光原理，并根据这个新的原理设计了一个包含三个非线性圆柱的直角波导和一个“T”型波导的二维光子晶体结构。这种光子晶体结构能够高速度（瞬时非线性效应）、低阈值、宽带宽（约50rim）和高对比度（约40dB）的实现不同频率或者同频率的光控光开关功能和光的与运算。该研究结果已正式发表（Optics Exprss，14（5），1783（2006））。
（4）优化了Y．H．Lee研究小组提出的电激励光子晶体单缺陷激光腔结构，将工作模式的Q值和Purcell因子分别提高7倍和6．8倍。该研究结果已正式发表（Joumal ofthe Optical Society 0f America B，24（1），37（2007））。
（5）提出了一种基于模式控制的光子晶体波导腔原理，即用两个仅支持0阶模的单模窄波导来约束多模波导中的l阶模。
（6）探讨性地将时域有限差分方法用于转动坐标系下光子晶体理论研究，导出了转动坐标系下的差分方程和PML边界条件，研究了光子晶体环形腔的转动特性。研究
目录
摘要
第一章 绪论
1．1 光子晶体理论研究概况
1．2 本书的选题背景、意义
1．3 本书的框架和主要内容
第二章 光子晶体时域有限差分方法及本书相关算法
2．1 光子晶体FDTD方法简介
2．1．1 麦克斯韦方程组
2．1．2 FDTD方法求解
2．2 本书相关算法
2．2．1 非线性光子晶体的计算
2．2．2 金属光子晶体的计算
2．2．3 网格点上有效电磁参量的计算
2．2．4 离散傅立叶变换
2．2．5 透过率的计算
2．2．6 光子晶体能带结构的计算
2．2．7 微腔共振频率、本征模式、Q值、有效模体积和Purceu因子的计算
2．2．8 时谐场振幅和相位的计算
2．2．9 时谐场功率的计算
2．2．10 近远场变换
2．3 本章小结
第三章 光子晶体仿真平台建立
3．1 FDTD算法对计算机的性能要求
3．2 二维光子晶体仿真软件设计
3．2．1 软件设计思想
3．2．2 软件具体实现
3．3 光子晶体三维并行仿真平台建立
3．3．1 并行计算方案选择
3．3．2 PC机群系统构建
3．3．3 FDTD并行算法设计思想
3．3．4 FDTD并行算法的具体实现
3．3．5 三维并行仿真平台性能测试
3．4 本章小结
第四章 光子晶体波分复用器
4．1 引言
4．2 基于光子晶体定向耦合的波分复用器
4．2．1 基于光子晶体定向耦合的波分复用器原理
4．2．2 结构设计与性能仿真
4．3 基于光子晶体多模干涉效应的波分复用器
4．3．1 基于光子晶体多模干涉效应的波分复用原理
4．3．2 数值结果与分析
4．4 本章小结
第五章 光子晶体光控光开关
5．1 引言
5．2 驻波光子晶体光控光开关
5．2．1 驻波光控光物理思想及原理
5．2．2 光子晶体光控光开关结构
5．2．3 数值模拟
5．3 本章小结
第六章 光子晶体激光腔
6．1 引言
6．2 优化Yee小组电激励光子晶体单缺陷微腔腔结构
6．2．1 本征模式及分析
6．2．2 优化物理思想
6．2．3 优化电激励微腔结构
6．3 基于模式控制的光子晶体波导腔
6．4 本章小结
第七章 光子晶体环形腔转动效应
7．1 非惯性坐标系下光子晶体m方法
7．2 光子晶体环形腔转动特性研究
7．3 问题及探讨
7．4 本章小结
第八章 光子晶体功能器件耦合技术研究
8．1 引言
8．2 级联缓变光子晶体波导结构和传统介质波导的耦合
8．2．1 级联缓变波导结构和耦合原理
8．2．2 数值模拟与结果分析
8．3 耦合腔实现光的准直输出
8．3．1 用耦合腔实现光准直输出的物理思想及原理
8．3．2 数值模拟与结果分析
8．4 本章小结
第九章 制备误差对光子晶体功能器件性能的影响
9．1 引言
9．2 结果与分析
9．2．1 计算方法
9．2．2 随机误差对光子晶体带隙特性的影响
9．2．3 随机误差对光子晶体微腔和波导特性的影响
9．2．4 随机误差对光子晶体功能器件性能的影响
9．3 本章小结
第十章 总结与展望
10．1 研究结论
10．2 展望
致谢
读博期间以第一作者发表或撰写的学术论文
参考文献
后记