可控远场数值孔径的逆设计光子晶体腔体

光子晶体腔体将光 confined 到亚波长体积，从而实现强光-物质相互作用，适用于低功耗光子学、光子电子学、非线性光学和量子信息等应用。这些应用要求腔体具备高品质因子、低模式体积和高耦合效率。然而，跨越这些指标的优化需要探索庞大的设计空间，这促使使用逆设计策略。以往的逆设计工作聚焦于高品质因子和低模式体积，牺牲了耦合效率或缺乏对远场辐射模式的精确控制。本文提出一种逆设计框架，同时优化腔体的品质因子和远场数值孔径，将二者均指定为设计目标。使用该方法，我们在可见波长下设计了具有不同远场数值孔径的 L3 型光子晶体腔体，并在硅氮化物中加工实现。光致发光测量表明实验可控远场数值孔径，并显示相对于标准 L3 型腔体，耦合效率提升 28 倍，品质因子提升 3.9 倍。失配分析进一步表明，尽管纳米加工瑕疵，设计仍保持显著性能。我们的工作展示了一种多目标优化光子晶体腔体的通用逆设计框架，以实现高品质因子和耦合效率。