全介质镜微腔的结构设计与发光特性的模拟

林 杰，曲松楠，褚明辉*，刘星元

(1.发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033;2.中国科学院大学，北京 100049)

1 引 言

全介质镜微腔是指以介质材料构成的分布式布拉格反射镜(DBR)作为腔镜的一种光学微腔。由于腔长和光波长相比拟，全介质镜微腔可以用来研究凝聚态体系中的腔量子电动力学现象[1]，以及设计低阈值的半导体激光器，因而在集成光学、信息光电子等领域都有很好的应用前景。在有机光电子领域，全介质镜微腔在有机电致发光(OLED)照明显示、光泵浦有机激光器[2-3]、电泵浦有机激光器[4]等方面都有重要的应用。虽然光学微腔发光特性的理论模拟已有相关的报道[7-8]，但是由于DBR结构的不同，全介质镜微腔的结构和性能存在较大差异，而这方面的研究还不够深入。

本文通过理论模拟研究了有机发光材料在不同结构的全介质镜微腔中的发光特性。结果表明，DBR结构的不同会导致腔镜反射相移的变化，从而最终改变了器件的透射光谱、腔内驻波电场分布、PL光谱峰值位置和强度等参数。只有合理的器件结构设计才能使腔内的发光得到有效的增强。对称偶数层DBR构成的λ腔可以使谐振峰位置的PL光谱峰值强度增加59倍。

2 结构设计

全介质镜微腔的结构如图1所示。采用常见的有机发光材料Alq3薄层作为发光层。微腔器件的结构设计需要考虑反射镜结构、腔长、谐振峰以及辐射偶极子在腔中的相对位置等因素[5-6]。我们设计了4种不同DBR结构的全介质镜微腔，具体的器件结构如下:

(1)对称奇数层DBR构成的腔结构

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

(2)底部奇数层DBR、顶部偶数层DBR构成的λ腔结构

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

(3)对称偶数层DBR构成的腔结构

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

(4)底部偶数层DBR、顶部奇数层DBR构成的λ腔结构

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

在这里，H代表高射率材料 Ta2O5，折射率为2.06，厚度为 63.10 nm;L 为低折射率材料 SiO2，折射率为1.46，厚度为89.04 nm。总腔长为520 nm，其中Alq3的折射率为1.75，厚度为20 nm;M代表间隔层 Al2O3，折射率为1.66，厚度为146.08 nm。

图1 全介质镜微腔的结构示意图Fig.1 The schematic diagram of dielectric microcavity

3 结果与讨论

图2所示为Alq3的光致发光(PL)光谱，以及模拟的器件A、B、C、D的PL光谱。Alq3的PL峰值在520 nm。模拟数据表明，与Alq3在520 nm的发光峰值强度相比，器件A在520 nm的发光强度降低了近60%(以下的对比中均是参照Alq3在相同波长位置的光谱强度)，器件B在576 nm的PL峰值位置增强了11倍，器件C在520 nm的PL峰值强度增强了59倍，而器件D在576 nm的PL峰值增强了2倍。可以看出只有器件C(对称偶数层微腔)和器件A(对称奇数层微腔)在520 nm有发光峰，其余的两个器件在520 nm都不存在发光峰。

图3和图4分别给出了器件A、B、C、D的透射光谱、腔内驻波电场分布和折射率分布图。[MAlq3M]为腔内材料，对于所有器件设计波长均为λ=520 nm。所有材料的具体参数见结构设计部分。由图1可知在λ腔中，全介质微腔的PL光谱在对称偶数层DBR结构下具有最大的增强。图3(a)、(c)、图 4(a)、(c)分别是器件 A、B、C、D的透射光谱。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。虽然腔内材料的光学厚度为λ，而实际上由于器件DBR结构上的差别，造成DBR的反射相移各不相同。根据Fabry-Perot方程，只有微腔的总相移为2mπ(m为大于1的整数)时所对应的光波才能谐振。在腔内材料的光学厚度不变而发光薄层位置固定的情况下，DBR结构的不同表现为微腔谐振波长及驻波电场的变化。微腔谐振峰的发光强度主要与该谐振波长与PL谱的重叠位置以及发光层在驻波场中的位置有关。模拟的结果表明，只有器件A和器件C在520 nm处形成谐振峰，器件B和D在520 nm处则不存在谐振峰。同时器件A和C的光谱强度有很大差别。器件C的PL光谱强度增强了大约59倍，器件A的发光强度降低到原来的60%。这主要和腔内驻波场的分布有关，器件C的发光层位于驻波场最大的地方(图4(b))，而器件A的发光层位于驻波场波节位置，因此发光强度受到较大的抑制(图3(b))。由于器件B和器件D的DBR采用的非对称结构，器件在520 nm处不存在谐振峰，同时发光层处的驻波场既不是处于波腹也不是处于波节(图3(d)和图4(d))。以上结果表明全介质镜微腔的DBR结构对其发光性能有重要的影响。

图2 器件A(a)、B(b)、C(c)、D(d)的PL模拟光谱，虚线(△)为发光层Alq3的PL光谱。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.

图3 模拟的器件A的透射光谱(a)，腔内驻波场及折射率分布图(b)，器件B的透射光谱(c)，腔内驻波场和折射率分布图(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).

图4 模拟的器件C的透射光谱(a)，腔内驻波场及折射率分布图(b)，器件D的透射光谱(c)，腔内驻波场和折射率分布图(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 结 论

设计了4种不同结构的全介质镜微腔:2种对称结构和2种非对称结构，分别是对称奇数层DBR构成的λ腔结构、对称偶数层DBR构成的λ腔结构、底部奇数层DBR顶部偶数层DBR构成的λ腔结构以及底部偶数层DBR顶部奇数层DBR构成的λ腔结构。理论模拟的结果表明，DBR结构的不同会改变微腔器件的总位相厚度，从而最终影响器件的透射光谱、腔内驻波场分布、PL光谱峰值位置和强度等众多参数。DBR的结构对全介质镜的性能有很大的影响，只有合理的器件结构设计才能使腔内材料的发光在适当的波长位置得到有效的增强。

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