[发明专利]1.3μm波长的无偏振高效率发光量子点器件及设计方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是一种1.3μm波长的无偏振高效率发光量子点器件及设计方法。

背景技术

在1987年， 由E.Yablonovitch 与S.John同时提出电子受到周期性位势散射的能带结构现象也存在于光子的系统中，当电磁波在介电系数周期性排列下运动，部分波段也会因破坏性干涉，导致无法在系统上传播，形成光子能隙，此类具有周期性的折射指数的物质称为光子晶体。当光子晶体的晶格常数或是周期与所操作的光子波长的数量级相当时，会造成所谓强散射的效应，产生光子能隙，当光波长选取在此能隙范围内，光便无法在晶体中传播。光子晶体另一个与半导体类似的特性，就是当加入缺陷时，增加或减少一些晶体来破坏结构的周期性，于是会在光子能隙中产生传播模态，在光子能隙中，光仅能依此模态传播。

根据光子晶体的性质，藉由着改变不同的几何结构，产生不一样的缺陷，如：拿掉一个或几个空气洞的点缺陷与线缺陷、以及周围缩小外扩的缺陷。当缺陷造成时，会有所谓的共振波长的产生，共振波长存在于缺陷之中，因为光子晶体的光子能隙的缘故，使得此共振波长无法向水平方向传播，因此设计高效率发光量子点器件就是要有效局限住光在水平的损耗，来达到高效能的品质因子。而在垂直方向，一般来讲利用将发光材料底部挖空的结构，利用上下层折射指数差异性大，来达到能量局限于结构之中。

但是由于在以往的研究中，常见的光子晶体微腔通常为空气孔阵列或者为介质柱阵列，由于其结构的原因只能对量子点发光波长的一种偏振光(横磁模(TM)或横电模(TE))具有较好的品质因子，很难对同一波长的两种偏振光都具有很高的品质因子。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种1.3μm波长的无偏振高效率发光量子点器件及设计方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种1.3μm波长的无偏振高效率发光量子点器件，包括自上而下依次设置的环形空气孔光子晶体微腔、量子点层、全方向反射镜结构、基底，其中环形空气孔光子晶体微腔为三角晶格环形空气孔的光子晶体微腔，该光子晶体微腔的结构类型为L3型，即光子晶体中心处沿X轴缺失三个单位元，光子晶体微腔缺陷处左右两侧的孔为空气孔，光子晶体微腔的材料为GaAs。

一种设计上述环形空气孔光子晶体微腔的方法，包括以下步骤：

步骤1、确定发光量子点器件的波长，将该波长限定为1.3μm；

步骤2、选定环形空气孔光子晶体结构，将该结构限定为三角晶格；

步骤3、通过遗传优化算法来调整环形空气孔的外径r₁和内径r₂参数，直至光子晶体结构的完全禁带最大时为止，此时的外径r₁和内径r₂参数值即为所需的光子晶体结构参数；

步骤4、根据上述步骤得到的内外径参数搭建L3型光子晶体微腔结构，之后将中心缺陷处两侧的单位元改为空气孔，空气孔的半径为r₃，空气孔向微腔内侧偏移量为l；

步骤5、对空气孔半径r₃和偏移量l进行线性扫描，当1.3μm处横磁模(TM)与横电模(TE) 均达到10⁴以上的品质因子时，完成设计。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1) 本发明提供的一种1.3μm波长的无偏振高效率量子点发光器件，利用环形空气孔构造的光子晶体微腔，可以实现对横磁模(TM)与横电模(TE)的同一波长的高效率发光；2) 采用环形空气孔阵列构造的光子晶体微腔，由于其奇特的单元结构，可以实现对同一波长横磁模(TM)与横电模(TE)均具有较高的品质因子，这部分的研究目前尚无文献报道；3) 实现了光纤通讯波段1.3μm波长的高效率发光量子点设计，弥补了现有的发光量子点波长均不在光纤通讯波段的空白。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为利用本发明的方法设计的1.3μm波长的无偏振高效率量子点发光器件和环形空气孔光子晶体微腔的结构示意图，其中图(a)为立体图，图(b)为俯视图。

图2为实施例1所得到的环形空气孔光子晶体的能带图。

图3为实施例1所得到的环形空气孔光子晶体微腔的设计示意图。