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High-Q factor photonic crystal cavities with cut air holes [Invited]
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资源说明：平面光子晶体（Planar Photonic Crystal, PPC）腔体设计中引入高品质因子（Q因子）和小模式体积（Vmode）一直以来是该领域的研究热点。高品质因子意味着腔体对特定光频率的选择性更高，即对特定模式的损耗更小，而小模式体积则意味着腔体能够实现更强的场集中效果，这对于实现微型化的光子器件至关重要。
在该研究中，作者提出了通过切割光子晶体中的空气孔为半圆形来实现高品质因子和优化腔体的新策略。该方法相较于先前通过移除或者移动空气孔的设计，展现出了更高的Q因子以及更小的模式体积的优势。具体示例包括：
1. 在PPC晶格中切割相邻的两个空气孔，能够得到Q因子超过200,500，同时模式体积Vmode小于0.329(λ/2n)^3的腔体模态。
2. 在PPC波导中切割对面的两个空气孔，得到了Q因子超过104,600，模式体积Vmode小于1.22(λ/2n)^3的腔体模态。
3. 对L3型PPC腔体边缘的两个空气孔进行切割，将Q因子优化提升到了124,700，而模式体积保持几乎不变。
通过切割空气孔引入的缺陷不仅提升了PPC腔体的性能，还为设计具有特定传输损耗和色散特性的PPC波导提供了可能。
光子晶体是利用周期性的介电结构对光波进行调制的一种材料系统。由于其具有光子带隙（photonic band gap, PBG）特性，光子晶体可以有效地控制光子的运动，包括反射、折射和局域等。在光子晶体中引入缺陷，则可以形成局域化的光态，即所谓的光子晶体腔（photonic crystal cavity, PCC）。通过精确设计缺陷，可以在光子带隙中形成一个局部的、高Q因子的模式，实现对光子的强束缚和长寿命存储。
设计和制造高品质因子的光子晶体腔对光学传感、低阈值激光器、光量子信息处理等领域具有重要意义。高品质因子的腔体能够显著减少能量损耗，延长光子在腔内的存储时间，从而提高了腔体对光子的控制能力。
除此之外，光子晶体的制造技术借鉴自半导体电子设备的标准化技术，这为实现光子晶体腔的实用化提供了便利。使用光子晶体腔体，可以方便地构建光子集成电路，结合其他如光子晶体波导的缺陷模式，实现了光子晶体结构在集成电路中的多样应用。
研究还提到，在传统技术中，高Q因子光子晶体腔的设计往往依赖于移除或者移动空气孔等方法，但这些方法在优化腔体性能的同时，可能会引入额外的结构复杂性，或者对光子晶体的其他光学特性产生不利影响。因此，作者所提出的切割空气孔以形成半圆形缺陷的方法，不仅在实现高品质因子和小模式体积方面显示出优势，而且在避免增加结构复杂性方面提供了新的可能。
该研究为未来的光子晶体设计提供了新的思路，即通过巧妙地设计缺陷，不仅可以优化腔体的光学特性，还可以扩展至光子晶体波导的设计，通过工程化的方法实现特定的传输损耗和色散特性，进一步丰富光子晶体技术的应用场景。
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