D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.09.012 第31卷第9期 北京科技大学学报 Vol.31 No.9 2009年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2009 类高品质因子大透过率二维光子晶体微腔 王丹毕长禄王自强曹文斌 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用多重散射法数值模拟了多个具有五个缺陷点的氧化铝介质柱四方晶格二维光子晶体微腔的透过率T和品质因 子Q.结果表明，沿x、y方向介质柱的个数L、L,以及介质柱半径，对微腔品质因子和透过率均有明显影响·通过优化参 数，实现了一类具有大透过率T、高品质因子Q的微腔.在模拟范围内，当L.=13、L,=17和r=0.25时，微腔品质因子和透 过率同时达到较大值，分别为49270和91%. 关键词光子晶体；微腔；透过率；品质因子：多重散射法 分类号0734 Two-dimensional photonic crystal microcavities with high quality factor and large transmission WANG Dan.BI Chang-lu,WANG Zi-qiang,CAO Wen-bin School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The quality factor 0 and transmission T of two-dimensional photonic crystal microcavities.which consist of square ar- rays of Al2O3 rods with 5 lattice defects,were simulated by the multiple"scattering computation method.The simulation results show that the quality factor 0 and the transmission T are greatly affected by the numbers of dielectric rods Ls Ly and the radius of dielec- tric rods.Two-dimensional mircrocavities with high Q and large T are realized through optimizing the structure parameters.In this simulation case,when L=13.L,=17,and r=0.25,the quality factor and the transmission are optimized as 49270 and 91%.re- spectively· KEY WORDS photonic crystal:microcavity:transmission:quality factor:multiple"scattering 光子晶体微谐振腔的研究是光子晶体]领域 维或准二维光子晶体微腔的透过率T的研究还不 研究中一个重要的研究方向，当在具有完全禁带的 多或者在Q很大时透过率T却很小10).在微腔 光子晶体中引入晶格缺陷，在光子禁带中将出现振 中，影响T和Q值的因素很多，如缺陷态模式、微腔 动模，称之为缺陷态，具有此特征的光子晶体即 尺寸、光子晶体结构以及构成光子晶体微腔的介质 为光子晶体微腔，光子晶体微腔在激光器可、谐振 柱的半径等，本文研究了微腔的尺寸和介质柱半径 腔6]和波分复用器]等领域都具有非常重要的应 对具有五个缺陷点的氧化铝介质柱型四方晶格二维 用，品质因子Q是反映微腔性能的重要参数，许多 光子晶体微腔的透过率T和品质因子Q值的影响 工作对二维和准二维光子晶体微腔的Q值进行了 规律并进行了结构优化，以便同时实现高的Q值和 研究[8]，一批具有高Q的微腔已见报道町，另一方 大的透过率T, 面，透过率T也是一个衡量光子晶体微腔的一个重 1光子晶体微腔结构和计算方法 要参数，高Q、高T的光子晶体微腔在光学、信息 技术等领域具有更为广泛的应用.但是，至今对二 如图1所示，无限长的Al203介质柱沿x、y方 收稿日期：2006-09-26 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N。.2004CB719802):北京科技新星项目(N。,2003B12):教有部博士点基金资助项目(N。- 50472093) 作者简介：王丹(1983-)，女，硕士研究生；曹文斌(1970-)，男，教授，博士，Emal:wbcao(@mater-ustb.edu,cn一类高品质因子大透过率二维光子晶体微腔 王 丹 毕长禄 王自强 曹文斌 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 摘 要 利用多重散射法数值模拟了多个具有五个缺陷点的氧化铝介质柱四方晶格二维光子晶体微腔的透过率 T 和品质因 子 Q．结果表明‚沿 x、y 方向介质柱的个数 L x、Ly 以及介质柱半径 r 对微腔品质因子和透过率均有明显影响．通过优化参 数‚实现了一类具有大透过率 T、高品质因子 Q 的微腔．在模拟范围内‚当 L x＝13、Ly＝17和 r＝0∙25时‚微腔品质因子和透 过率同时达到较大值‚分别为49270和91％． 关键词 光子晶体；微腔；透过率；品质因子；多重散射法 分类号 O734 Two-dimensional photonic crystal microcavities with high quality factor and large transmission W A NG Dan‚BI Chang-lu‚W A NG Z-i qiang‚CA O Wen-bin School of Materials Science and Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT T he quality factor Q and transmission T of two-dimensional photonic crystal microcavities‚which consist of square ar￾rays of Al2O3 rods with5lattice defects‚were simulated by the multiple-scattering computation method．T he simulation results show that the quality factor Q and the transmission T are greatly affected by the numbers of dielectric rods L x‚Ly and the radius of dielec￾tric rods．T wo-dimensional mircrocavities with high Q and large T are realized through optimizing the structure parameters．In this simulation case‚when L x＝13‚Ly＝17‚and r＝0∙25‚the quality factor and the transmission are optimized as49270and91％‚re￾spectively． KEY WORDS photonic crystal；microcavity；transmission；quality factor；multiple-scattering 收稿日期：2006-09-26 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2004CB719802）；北京科技新星项目（No．2003B12）；教育部博士点基金资助项目（No． 50472093） 作者简介：王 丹（1983—）‚女‚硕士研究生；曹文斌（1970—）‚男‚教授‚博士‚E-mail：wbcao＠mater．ustb．edu．cn 光子晶体微谐振腔的研究是光子晶体［1—2］领域 研究中一个重要的研究方向．当在具有完全禁带的 光子晶体中引入晶格缺陷‚在光子禁带中将出现振 动模‚称之为缺陷态［3—4］‚具有此特征的光子晶体即 为光子晶体微腔．光子晶体微腔在激光器［5］、谐振 腔［6］和波分复用器［7］ 等领域都具有非常重要的应 用．品质因子 Q 是反映微腔性能的重要参数．许多 工作对二维和准二维光子晶体微腔的 Q 值进行了 研究［8］‚一批具有高 Q 的微腔已见报道［9］．另一方 面‚透过率 T 也是一个衡量光子晶体微腔的一个重 要参数．高 Q、高 T 的光子晶体微腔在光学、信息 技术等领域具有更为广泛的应用．但是‚至今对二 维或准二维光子晶体微腔的透过率 T 的研究还不 多或者在 Q 很大时透过率 T 却很小［10—11］．在微腔 中‚影响 T 和 Q 值的因素很多‚如缺陷态模式、微腔 尺寸、光子晶体结构以及构成光子晶体微腔的介质 柱的半径等．本文研究了微腔的尺寸和介质柱半径 对具有五个缺陷点的氧化铝介质柱型四方晶格二维 光子晶体微腔的透过率 T 和品质因子 Q 值的影响 规律并进行了结构优化‚以便同时实现高的 Q 值和 大的透过率 T． 1 光子晶体微腔结构和计算方法 如图1所示‚无限长的 Al2O3 介质柱沿 x、y 方 第31卷 第9期 2009年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．9 Sep．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．09．012