Study on the characteristics of gallium nitride based hetero-structure photonic crystal micro-cavity

Wei SHEN; Xu XU; Hongwei GAO; Qifa LIU

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Study on the characteristics of gallium nitride based hetero-structure photonic crystal micro-cavity

更新时间：2022-09-30

- Study on the characteristics of gallium nitride based hetero-structure photonic crystal micro-cavity
- Optics and Precision Engineering Pages: 1-8(2022)
- 作者机构：
  
  1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京 210003
  2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州 215123
- 作者简介：
  
  E-mail： liuqf@njupt.edu.cn；liuqf@njupt.edu.cn
- 基金信息：
- DOI：
  CLC： TN256;TN36
- Received：24 June 2022，
  
  Revised：22 August 2022，
  
  Published Online：30 September 2022，
- 稿件说明：
移动端阅览
沈威,徐许,高宏伟等.氮化镓基异质结构光子晶体微腔特性[J].光学精密工程,

SHEN Wei,XU Xu,GAO Hongwei,et al.Study on the characteristics of gallium nitride based hetero-structure photonic crystal micro-cavity[J].Optics and Precision Engineering,
沈威,徐许,高宏伟等.氮化镓基异质结构光子晶体微腔特性[J].光学精密工程, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

SHEN Wei,XU Xu,GAO Hongwei,et al.Study on the characteristics of gallium nitride based hetero-structure photonic crystal micro-cavity[J].Optics and Precision Engineering, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

摘要

本论文提出了氮化镓基有源体系的异质结构光子晶体谐振腔，以实现高品质因子和小模场体积的有源集成蓝光谐振。通过能带分析，明确了异质结构光子晶体谐振腔的工作机理。基于光子晶体的能带带边和带隙原理，实现了光子面内反馈、高品质因子谐振和面外垂直发射。基于时域有限差分方法，研究了核心区和包层区不同谐振腔参数下的谐振特性。讨论了微腔结构与谐振品质因子、腔损耗、谐振频率、模场体积等的影响关系。研究表明，通过异质结构可以有效的降低面内谐振损耗，实现了有源集成型蓝光波段的Purcell因子达到769，模场体积为0.7（

）

。该研究为蓝光波段高

谐振腔的设计开辟了道路，同时为具备优异谐振特性的异质结构光子晶体微腔的研究奠定了方法和理论基础。

Abstract

In order to obtain a resonant micro-cavity in blue band with high quality factor and small mode volume， this research proposed a two-dimensional photonic crystal resonant structure with hetero-structure on GaN based active platform. Through band structure analysis， the working mechanism of the hetero-structure photonic crystal resonator was clarified. Based on the band edge and band gap principle of photonic crystals， the photonic in-plane feedback， high quality factor resonance and out-of-plane vertical emission were realized. The resonance characteristics of the core region and the cladding region under different cavity parameters were studied based on the finite difference time domain （FDTD） simulation. The relationship between the micro-cavity structure and the resonance quality factor， cavity loss， resonance frequency， and mode volume were discussed. This research paves the way for the design of high-Q/V

resonator in the blue band， and lays a method and theoretical basis for the study of hetero-structure photonic crystal micro-cavities with excellent resonance characteristics.

关键词

Keywords

references

LU Q J ， CHEN X G ， ZOU C L ， et al . Extreme terahertz electric-field enhancement in high-Q photonic crystal slab cavity with nanoholes ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 23 ）： 30851 - 30861 . doi: 10.1364/oe.26.030851 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.030851

XU P P ， ZHENG J J ， ZHOU J ， et al . Multi-slot photonic crystal cavities for high-sensitivity refractive index sensing ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 3 ）： 3609 - 3616 . doi: 10.1364/oe.27.003609 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.003609

SHINODA K ， OHTERA Y . Alignment-free filter array： Snapshot multispectral polarization imaging based on a Voronoi-like random photonic crystal filter ［J］. Optics Express ， 2020 ， 28 （ 26 ）： 38867 - 38882 . doi: 10.1364/oe.411488 http://dx.doi.org/10.1364/oe.411488

AKAHANE Y ， ASANO T ， SONG B S ， et al . High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal ［J］. Nature ， 2003 ， 425 （ 6961 ）： 944 - 947 . doi: 10.1038/nature02063 http://dx.doi.org/10.1038/nature02063

GIANNOPOULOS A V ， LI Y J ， LONG C M ， et al . Optical properties of photonic crystal heterostructure cavity lasers ［J］. Optics Express ， 2009 ， 17 （ 7 ）： 5379 - 5390 . doi: 10.1364/oe.17.005379 http://dx.doi.org/10.1364/oe.17.005379

GE X C ， MINKOV M ， FAN S H ， et al . Low index contrast heterostructure photonic crystal cavities with high quality factors and vertical radiation coupling ［J］. Applied Physics Letters ， 2018 ， 112 （ 14 ）： 141105 . doi: 10.1063/1.5026433 http://dx.doi.org/10.1063/1.5026433

INOUE T ， YOSHIDA M ， ZOYSA M D ， et al . Design of photonic-crystal surface-emitting lasers with enhanced in-plane optical feedback for high-speed operation ［J］. Optics Express ， 2020 ， 28 （ 4 ）： 5050 - 5057 . doi: 10.1364/oe.385277 http://dx.doi.org/10.1364/oe.385277

PAINTER O ， LEE R K ， YARIV A ， et al . Two-dimensional photonic bandgap defect laser ［J］. 1999 ： CPD21 . doi: 10.1364/nlda.1999.lmd3 http://dx.doi.org/10.1364/nlda.1999.lmd3

XIONG Y F ， YE H Q ， UMEDA T ， et al . Photonic crystal circular defect （CirD） laser ［J］. Photonics ， 2019 ， 6 （ 2 ）： 54 . doi: 10.3390/photonics6020054 http://dx.doi.org/10.3390/photonics6020054

张雨茜，陆志成，张伟，等 . 硅基纳米柱GaN-LED的制备与光谱特性分析［J］. 光谱学与光谱分析， 2019 ， 39 （ 8 ）： 2450 - 2453 .

ZHANG Y X ， LU ZH CH ， ZHANG W ， et al . Study of the fabrication and spectral analysis of silicon-based nanocolumn GaN-LED ［J］. Spectroscopy and Spectral Analysis ， 2019 ， 39 （ 8 ）： 2450 - 2453 . （in Chinese）

江孝伟，赵建伟，武华 . 高光提取效率倒装发光二极管的设计与优化［J］. 激光与光电子学进展， 2018 ， 55 （ 9 ）： 396 - 401 . doi: 10.3788/lop55.092302 http://dx.doi.org/10.3788/lop55.092302

JIANG X W ， ZHAO J W ， WU H . Design and optimization of flip-chip light-emitting diode with high light extraction efficiency ［J］. Laser ＆ Optoelectronics Progress ， 2018 ， 55 （ 9 ）： 396 - 401 . （in Chinese） . doi: 10.3788/lop55.092302 http://dx.doi.org/10.3788/lop55.092302

洪国彬，杨钧杰，卢廷昌 . 蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器［J］. 中国光学， 2014 ， 7 （ 4 ）： 559 - 571 . doi: 10.3788/co.20140704.0559 http://dx.doi.org/10.3788/co.20140704.0559

HONG G B ， YANG J J ， LU T CH . Blue-Violet GaN-based photonic crystal surface emitting lasers ［J］. Chinese Optics ， 2014 ， 7 （ 4 ）： 559 - 571 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20140704.0559 http://dx.doi.org/10.3788/co.20140704.0559

ALHASSAN A I ， YOUNG E C ， ALYAMANI A Y ， et al . Reduced-droop green III-nitride light-emitting diodes utilizing GaN tunnel junction ［J］. Applied Physics Express ， 2018 ， 11 （ 4 ）： 042101 . doi: 10.7567/apex.11.042101 http://dx.doi.org/10.7567/apex.11.042101

LU H Y ， TIAN S C ， TONG C Z ， et al . Extracting more light for vertical emission： high power continuous wave operation of 1.3-μm quantum-dot photonic-crystal surface-emitting laser based on a flat band ［J］. Light： Science & Applications ， 2019 ， 8 ： 108 . doi: 10.1038/s41377-019-0214-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-019-0214-2

ANTOS R ， VOZDA V ， VEIS M . Plane wave expansion method used to engineer photonic crystal sensors with high efficiency ［J］. Optics Express ， 2014 ， 22 （ 3 ）： 2562 - 2577 . doi: 10.1364/oe.22.002562 http://dx.doi.org/10.1364/oe.22.002562

ANTOS R ， VEIS M . Fourier factorization with complex polarization bases in the plane-wave expansion method applied to two-dimensional photonic crystals ［J］. Optics Express ， 2010 ， 18 （ 26 ）： 27511 - 27524 . doi: 10.1364/oe.18.027511 http://dx.doi.org/10.1364/oe.18.027511

BORDAS F ， STEEL M J ， SEASSAL C ， et al . Confinement of band-edge modes in a photonic crystal slab ［J］. Optics Express ， 2007 ， 15 （ 17 ）： 10890 - 10902 . doi: 10.1364/oe.15.010890 http://dx.doi.org/10.1364/oe.15.010890

FAN S H ， JOANNOPOULOS J D . Analysis of guided resonances in photonic crystal slabs ［J］. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics ， 2002 ， 65 （ 23 ）： 1 - 8 . doi: 10.1103/physrevb.65.235112 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.65.235112

FERRIER L ， ROJO-ROMEO P ， DROUARD E ， et al . Slow Bloch mode confinement in 2D photonic crystals for surface operating devices ［J］. Optics Express ， 2008 ， 16 （ 5 ）： 3136 - 3145 . doi: 10.1364/oe.16.003136 http://dx.doi.org/10.1364/oe.16.003136

CHO H ， CHUNG J ， SONG J ， et al . Importance of Purcell factor for optimizing structure of organic light-emitting diodes ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 8 ）： 11057 - 11068 . doi: 10.1364/oe.27.011057 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.011057

ZHENG Y D ， XIAO F A ， LIU W J ， et al . Purcell effect and light extraction of Tamm-plasmon-cavity green light-emitting diodes ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 21 ）： 30852 - 30863 . doi: 10.1364/oe.27.030852 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.030852

Views

360

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Study on the characteristics of Gallium Nitride based hetero-structure photonic crystal micro-cavity

Optical testing of Dynamic characteristic of Vibrating Wheel Micromechanical Gyroscope

Analysis of mechanical characteristics in the double linear vibratory gyroscope using high speed photography

Related Author

SHEN Wei

GAO Hongwei

LIU Qifa

JIANG Ming

YANG Fu-jun

DONG E-liang

ZHENG Xiang

Related Institution

Key Laboratory of Nano devices and Applications， Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics， Chinese Academy of Sciences

苏州科技学院土木学院

Civil Engeering Department,University of Science and Technology of Suzhou

Civil Engeering Institute,Southeast University

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰