1. 研究目的与意义
1969年美国贝尔实验室的miller首先提出了“集成光学”的概念，基本构想是将光波约束在有限空间的光波导内传播。采用类似于集成电路的微加工技术，将一些基于光波导构成的光子学器件集成在同一基板上，可以构建具有特定功能的“光集成回路”系统。近年来，随着通信技术的发展，人们对通信的要求越来越高，在光通信系统中，光信号的顺利传输已经成为了研究的焦点。虽然集成光学的概念已经提出了近40年，但是由于用于集成的传统光子学器件在原理、材料、制备工艺等方面存在较大的差异，特别是器件尺寸较大和集成度不高，使得光子集成远未达到预期的目的。
二极管是最常用的电子元件之一，其作用有整流电路，检波电路，稳压电路，各种调制电路主要都是由二极管构成的。与此类似, 光在从一端向另一端传输的过程中，如果发生散射或反射，影响输入端的信号，就会对整个传输效果产生影响，因此有必要研究光在光路中的单向传输问题。如何实现光信号的单向传输, 即光二极管, 是全光集成领域中的一个基本问题。
目前实现光波单向传输的方式有很多种，研究中采用较多的主要有利用法拉第磁光效应、在光子晶体结构中添加非线性材料、引入缺陷打破结构的空间或时间反演对称性等方法。但是这些方法在实际应用过程中都存在一定的缺陷，利用法拉第磁光效应时需要在结构外添加磁场以实现旋光；结构中添加非线性材料时，对入射光功率的要求较高，很难实现；打破结构空间或时间反演对称性的方法实现的光波正向透射率较低，单向传输效果不够好。
2. 研究内容和预期目标
本文构建了基于全反射界面的二维硅基光子晶体异质结结构,对比分析正交及非正交异质结界面情况下的传输特性。
探讨非正交异质结结构中界面耦合区的结构对单向传输特性的影响,通过优化异质结界面,实现了宽频带、高效率的单向传输特性。
主要通过时域有限差分法分析硅基光子晶体异质结的单向传输特性，并研究影响光单向传输效率的因素。
3. 研究的方法与步骤
自从光子晶体的概念被提出后,其禁带特性被广泛地应用到光子晶体光纤、光分叉波导、光开关、光二极管等，要想更好地利用光子晶体来加强器件的性能，必须要知道能带特性及其内部电磁波的传输性能。而光子满足 maxwell 方程，因此人们为了能更深入地研究其特性，基于矢量式 maxwell 方程，计算方法有：传输矩阵法(tmm)、平面波展开法(pwm)、多重散射法(msm)、时域有限差分法(fdtd)等。而对于二维光子晶体来说，用到的方法有平面波展开法和时域有限差分法。
平面波展开法（pwm）是用来计算光子晶体能带色散关系的一种手段，主要是将电磁波以平面波叠加的方式进行转化，并通过麦克斯韦方程组得到本征方程，从而通过求解本征方程组，来得到本征值，即可得到光子能带。
本文采用的主要研究方法为时域有限差分法，以分析光子晶体的传输效率。时域有限差分法 (fdtd)最早是由k.s.yee于1966年提出。是对偏微分波动方程的离散化求解，利用时间和空间将偏微分方程转化为差分方程，从而求解电磁波传播过程中的各个离散点的参量与时间的函数关系。并且通过傅里叶级数的转化，可以同时计算出大的频率范围内的结果。核心思想是把带时间变量的maxwell旋度方程转化为差分形式，模拟出电子脉冲和理想导体作用的时域响应。fdtd有着广泛的应用性、节约运算和存储空间、计算程序的通用性、简单直观等诸多优点。此方法不会局限于光子晶体的几何结构，可以有效地得出所求结构的透射和反射等性能。在光学领域中，fdtd更是被广泛使用。
4. 参考文献
[1]刘丹,胡森,肖明.硅基光子晶体异质结的单向传输特性[j].物理学报,2017,66(05):153-159.
[2]程立锋,任承,王萍,冯帅.基于异质结界面优化的光子晶体二极管单向传输特性研究[j].物理学报,2014,63(15):221-226.
[3]张学智,冯鸣,张心正.基于自相位调制效应的硅基中红外全光二极管[j].物理学报,2013,62(02):230-236.
5. 计划与进度安排
2022.2下达任务书
2022.3查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告
2022.4熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果
