中文摘要：

本项目旨在利用异向介质的特殊性质，解决微纳光子元件及系统中由于不同端口之间互联而引入的高效率任意波导交叉传输和任意波导弯曲传输的基本问题。探明普通介质-异向介质复合体系中光子传输的一般规律，建立起理论描述框架，揭示其中的特殊光学现象，并阐明其物理本质。以此为基础，研究微结构光子系统中利用奇异材料实现高效率无反射任意波导弯曲、以及无串扰任意波导交叉结构的工作原理及实现方案。利用理论分析、高精度数值模拟、实验验证相结合的方法，得出实现高效率任意波导弯曲和任意波导交叉时，所需奇异材料的特性，及其在光子系统中的分布形态。以期在硅基集成光子系统、光子晶体系统和金属纳米结构系统三种不同的光子平台上，找到一种较为普适的高效率光子波导互联方案，即利用高效率的波导任意交叉和任意弯曲，实现任意位置处端口之间的高效率、短延迟、低损耗的信息传输和交换。本项目的实施，对微纳光子系统的进一步发展具有重要意义。

结论摘要：

经过三年的研究，我们顺利完成了项目预设的研究目标。在项目资助下，我们对微纳光子结构中高效率的光信号传输问题进行了深入研究，在波导交叉传输、非线性传输、偏振转换等几个方面取得了一系列重要研究结果。在该项目的资助下，共发表SCI论文8篇（只统计了标注项目资助论文），其中包括二区论文5篇。此外，该项目立项前所做的前期准备工作也在著名杂志App. Phys. Lett. 上发表二区SCI论文2篇（论文发表时项目批准号尚未知，因此未标注项目号）。在项目资助下参加国内学术会议7人次。协助培养博士生4名（其中两名博士生已正式毕业）和硕士生1名。该项目所取得的研究成果简单概括如下。项目对狭缝波导结构的高效率交叉传输进行深入研究，并取得了重要成果。当两个狭缝波导交叉时，通常传输效率非常低（只有35%左右），而串扰和插入损耗极大，我们提出了一种基于PF谐振效应的传输效率增强机制，使传输效率由原来的35%提高到97%。研究了半无限大克尔非线性波导阵列中光束的相互作用。发现相位相同而光强不同的两光束相互作用时，高光强光束所形成的空间光孤子能够被另一个光强较低的衍射光束所牵引。而对于反位相的两个光束，我们发现在能量较高时光信号可以在两个激发通道中完全置换。利用该原理，我们提出了一种实现光信号寻址以及全光开关的工作原理。深入研究了光学法诺谐振现象。提出将法诺谐振分解为一个标准的洛仑兹函数与一个抛物线函数的乘积的新观点，而法诺因子可以通过这两个谐振频率中心的间距来调节。该分解为构造法诺谐振提供了一种新的思路。同时，我们提出利用非线性法诺谐振实现超高对比度光学二极管的思想，并在光子晶体结构中加以实现，得到了不同方向入射时高达500的透射对比度。研究了微纳光子波导结构中的偏振转换问题。通过引入优化的非线性渐变结构，将两个正交偏振模之间相互转换的转换长度减小了一个数量级，同时保持了接近100%的转换效率，以及很高的消光比和极低的插入损耗。