高Q值的全偏振環形光子晶體L3微腔結構設計

張 浩，王 銳，王 旭

(貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽 550025)

Yablonovitch 和 John于1987年首先提出光子晶體概念以來[1]，光子晶體在近30年里得到了較快的發展。光子晶體核心參數是光子帶隙，折射率不同的材料在不同方向周期排列分別形成一維、二維和三維光子晶體[2]。類似于固體物理能帶論中的能量禁帶，頻率處于禁帶的光子在特定方向上被限制傳播。光子晶體禁帶調制電磁波可應用于激光、光子集成電路以及提高量子點等器件的光取出效率[3]。研究表明，空氣孔型光子晶體更容易形成TE型光子帶隙，介質柱型光子晶體更容易形成TM型光子帶隙[4]，如何有效的兼顧TE與TM電磁波從而實現全偏振是現階段的一大難題。本文提出了一種環形的光子晶體結構，使TE和TM偏振在474 nm出同時存在光子帶隙，電磁場分布進一步證實兩種偏振態在474 nm存在光子帶隙，其結構能兼顧TE與TM，實現全偏振[5]。

高Q值的光子晶體微腔對量子點等光源的發光效率有大幅提高[6]。文中設計了環形光子晶體L3微腔，通過對腔周圍的結構調整[7]，能同時有效利用TE和TM兩種偏振光，且L3微腔的TE和TM 偏振光Q值分別達到31 000和10 500。該研究結果在理論上拓寬了光子晶體的應用及提高了光源的利用效率。

1 光子晶體結構及L3微腔

本文設計的環形光子晶體是在GaN薄膜上通過環形刻蝕實現的[8]，其結構如圖一所示。d為GaN平板厚度，a為晶格常數，其中Γ、M和K三角型結構的高對稱點。L3微腔的結構如圖1(a)所示，其中圓柱孔1、2位于微腔兩側。運用了FDTD的方法[9]，經過晶格常數的優化，得出在周期a=420 nm，外半徑R=170 nm，內半徑r=100 nm，厚度d=100 nm。……