全介質(zhì)鏡微腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與發(fā)光特性的模擬

林 杰，曲松楠，褚明輝*，劉星元

(1.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

全介質(zhì)鏡微腔是指以介質(zhì)材料構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡(DBR)作為腔鏡的一種光學(xué)微腔。由于腔長和光波長相比擬，全介質(zhì)鏡微腔可以用來研究凝聚態(tài)體系中的腔量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象[1]，以及設(shè)計(jì)低閾值的半導(dǎo)體激光器，因而在集成光學(xué)、信息光電子等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。在有機(jī)光電子領(lǐng)域，全介質(zhì)鏡微腔在有機(jī)電致發(fā)光(OLED)照明顯示、光泵浦有機(jī)激光器[2-3]、電泵浦有機(jī)激光器[4]等方面都有重要的應(yīng)用。雖然光學(xué)微腔發(fā)光特性的理論模擬已有相關(guān)的報(bào)道[7-8]，但是由于DBR結(jié)構(gòu)的不同，全介質(zhì)鏡微腔的結(jié)構(gòu)和性能存在較大差異，而這方面的研究還不夠深入。

本文通過理論模擬研究了有機(jī)發(fā)光材料在不同結(jié)構(gòu)的全介質(zhì)鏡微腔中的發(fā)光特性。結(jié)果表明，DBR結(jié)構(gòu)的不同會(huì)導(dǎo)致腔鏡反射相移的變化，從而最終改變了器件的透射光譜、腔內(nèi)駐波電場(chǎng)分布、PL光譜峰值位置和強(qiáng)度等參數(shù)。只有合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使腔內(nèi)的發(fā)光得到有效的增強(qiáng)。對(duì)稱偶數(shù)層DBR構(gòu)成的λ腔可以使諧振峰位置的PL光譜峰值強(qiáng)度增加59倍。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全介質(zhì)鏡微腔的結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用常見的有機(jī)發(fā)光材料Alq3薄層作為發(fā)光層。微腔器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮反射鏡結(jié)構(gòu)、腔長、諧振峰以及輻射偶極子在腔中的相對(duì)位置等因素[5-6]。我們?cè)O(shè)計(jì)了4種不同DBR結(jié)構(gòu)的全介質(zhì)鏡微腔，具體的器件結(jié)構(gòu)如下:

(1)對(duì)稱奇數(shù)層DBR構(gòu)成的腔結(jié)構(gòu)

Device A:Glass/(HL)5H[MAlq3M]H(LH)5

(2)底部奇數(shù)層DBR、頂部偶數(shù)層DBR構(gòu)成的λ腔結(jié)構(gòu)

Device B:Glass/(HL)5H[MAlq3M](LH)5

(3)對(duì)稱偶數(shù)層DBR構(gòu)成的腔結(jié)構(gòu)

Device C:Glass/(HL)5[MAlq3M](LH)5

(4)底部偶數(shù)層DBR、頂部奇數(shù)層DBR構(gòu)成的λ腔結(jié)構(gòu)

Device D:Glass/(HL)5[MAlq3M]H(LH)5

在這里，H代表高射率材料 Ta2O5，折射率為2.06，厚度為 63.10 nm;L 為低折射率材料 SiO2，折射率為1.46，厚度為89.04 nm。總腔長為520 nm，其中Alq3的折射率為1.75，厚度為20 nm;M代表間隔層 Al2O3，折射率為1.66，厚度為146.08 nm。

圖1 全介質(zhì)鏡微腔的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of dielectric microcavity

3 結(jié)果與討論

圖2所示為Alq3的光致發(fā)光(PL)光譜，以及模擬的器件A、B、C、D的PL光譜。Alq3的PL峰值在520 nm。模擬數(shù)據(jù)表明，與Alq3在520 nm的發(fā)光峰值強(qiáng)度相比，器件A在520 nm的發(fā)光強(qiáng)度降低了近60%(以下的對(duì)比中均是參照Alq3在相同波長位置的光譜強(qiáng)度)，器件B在576 nm的PL峰值位置增強(qiáng)了11倍，器件C在520 nm的PL峰值強(qiáng)度增強(qiáng)了59倍，而器件D在576 nm的PL峰值增強(qiáng)了2倍。可以看出只有器件C(對(duì)稱偶數(shù)層微腔)和器件A(對(duì)稱奇數(shù)層微腔)在520 nm有發(fā)光峰，其余的兩個(gè)器件在520 nm都不存在發(fā)光峰。

圖3和圖4分別給出了器件A、B、C、D的透射光譜、腔內(nèi)駐波電場(chǎng)分布和折射率分布圖。[MAlq3M]為腔內(nèi)材料，對(duì)于所有器件設(shè)計(jì)波長均為λ=520 nm。所有材料的具體參數(shù)見結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分。由圖1可知在λ腔中，全介質(zhì)微腔的PL光譜在對(duì)稱偶數(shù)層DBR結(jié)構(gòu)下具有最大的增強(qiáng)。圖3(a)、(c)、圖 4(a)、(c)分別是器件 A、B、C、D的透射光譜。器件A和器件C的透射峰均在520 nm，器件B和器件D的透射峰在460 nm和576 nm。雖然腔內(nèi)材料的光學(xué)厚度為λ，而實(shí)際上由于器件DBR結(jié)構(gòu)上的差別，造成DBR的反射相移各不相同。根據(jù)Fabry-Perot方程，只有微腔的總相移為2mπ(m為大于1的整數(shù))時(shí)所對(duì)應(yīng)的光波才能諧振。在腔內(nèi)材料的光學(xué)厚度不變而發(fā)光薄層位置固定的情況下，DBR結(jié)構(gòu)的不同表現(xiàn)為微腔諧振波長及駐波電場(chǎng)的變化。微腔諧振峰的發(fā)光強(qiáng)度主要與該諧振波長與PL譜的重疊位置以及發(fā)光層在駐波場(chǎng)中的位置有關(guān)。模擬的結(jié)果表明，只有器件A和器件C在520 nm處形成諧振峰，器件B和D在520 nm處則不存在諧振峰。同時(shí)器件A和C的光譜強(qiáng)度有很大差別。器件C的PL光譜強(qiáng)度增強(qiáng)了大約59倍，器件A的發(fā)光強(qiáng)度降低到原來的60%。這主要和腔內(nèi)駐波場(chǎng)的分布有關(guān)，器件C的發(fā)光層位于駐波場(chǎng)最大的地方(圖4(b))，而器件A的發(fā)光層位于駐波場(chǎng)波節(jié)位置，因此發(fā)光強(qiáng)度受到較大的抑制(圖3(b))。由于器件B和器件D的DBR采用的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，器件在520 nm處不存在諧振峰，同時(shí)發(fā)光層處的駐波場(chǎng)既不是處于波腹也不是處于波節(jié)(圖3(d)和圖4(d))。以上結(jié)果表明全介質(zhì)鏡微腔的DBR結(jié)構(gòu)對(duì)其發(fā)光性能有重要的影響。

圖2 器件A(a)、B(b)、C(c)、D(d)的PL模擬光譜，虛線(△)為發(fā)光層Alq3的PL光譜。Fig.2 The simulated PL spectra of device A(a)，B(b)，C(c)，D(d)，the dotted line(△)is the PL spectrum of Alq3layer.

圖3 模擬的器件A的透射光譜(a)，腔內(nèi)駐波場(chǎng)及折射率分布圖(b)，器件B的透射光譜(c)，腔內(nèi)駐波場(chǎng)和折射率分布圖(d)。Fig.3 The simulated transmittance spectra of device A(a)and B(c).The simulated standing wave field and refractive index distribution of device A(b)and B(d).

圖4 模擬的器件C的透射光譜(a)，腔內(nèi)駐波場(chǎng)及折射率分布圖(b)，器件D的透射光譜(c)，腔內(nèi)駐波場(chǎng)和折射率分布圖(d)。Fig.4 The simulated transmittance spectra of device C(a)and D(c).The simulated standing wave field and refractive index distribution of device C(b)and D(d).

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的全介質(zhì)鏡微腔:2種對(duì)稱結(jié)構(gòu)和2種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分別是對(duì)稱奇數(shù)層DBR構(gòu)成的λ腔結(jié)構(gòu)、對(duì)稱偶數(shù)層DBR構(gòu)成的λ腔結(jié)構(gòu)、底部奇數(shù)層DBR頂部偶數(shù)層DBR構(gòu)成的λ腔結(jié)構(gòu)以及底部偶數(shù)層DBR頂部奇數(shù)層DBR構(gòu)成的λ腔結(jié)構(gòu)。理論模擬的結(jié)果表明，DBR結(jié)構(gòu)的不同會(huì)改變微腔器件的總位相厚度，從而最終影響器件的透射光譜、腔內(nèi)駐波場(chǎng)分布、PL光譜峰值位置和強(qiáng)度等眾多參數(shù)。DBR的結(jié)構(gòu)對(duì)全介質(zhì)鏡的性能有很大的影響，只有合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使腔內(nèi)材料的發(fā)光在適當(dāng)?shù)牟ㄩL位置得到有效的增強(qiáng)。

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