研究人員推導(dǎo)出用于評估PCSELs效率的方程式

電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）研究人員推導(dǎo)出光子晶體表面的二維耦合波方程，推動高效激光器的開發(fā)。

激光二極管利用半導(dǎo)體材料發(fā)光并通過不斷反射（即“光學(xué)反饋”）來增強(qiáng)光強(qiáng)度。當(dāng)光的強(qiáng)度達(dá)到所需的增益后，激光二極管就會釋放出強(qiáng)大的激光束。光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSELs）作為先進(jìn)的激光二極管，它的光學(xué)增益主要沿著光在光子晶體（PC）結(jié)構(gòu)中的傳播方向分布。與傳統(tǒng)激光器不同，PCSELs能夠?qū)⒃鲆?、反饋和發(fā)射功能分開，從而實(shí)現(xiàn)更高功率的穩(wěn)定單模輸出，并帶來更具創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。

在2024 年 11 月 20 日出版的 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics（卷31，第2期，https://doi.org/10.1109/JSTQE.2024.3502794）中，研究人員以三角形晶格PCSELs（該類激光器中，PC形成了三角形的晶格結(jié)構(gòu)）為實(shí)驗(yàn)對象，發(fā)現(xiàn)可以數(shù)值模擬光波在PCSELs中的相互作用，并且，三角形晶格PCSELs中的二維光波相互作用或“耦合”比方形晶格PCSELs中更強(qiáng)。這種增強(qiáng)的耦合提供了更強(qiáng)的光學(xué)反饋，有助于激光器的高效工作。

具體來說，研究人員關(guān)注了六個平面光波在晶體中的傳播，以及它們通過布拉格衍射（Bragg diffraction）進(jìn)行耦合的過程。接著，他們對這些平面光波在三角形晶格PCSELs中的二維耦合進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將其與光波在方形晶格PCSELs中的表現(xiàn)進(jìn)行對比。

此外，研究人員還推導(dǎo)出了模式頻率和耦合常數(shù)的解析方程，這些方程可與實(shí)驗(yàn)測得的能帶結(jié)構(gòu)（band structure）數(shù)據(jù)結(jié)合使用，幫助優(yōu)化橫向磁（TM）模式三角形晶格PCSELs的設(shè)計(jì)。IEEE高級會員、該研究的合著者之一Stephen John Sweeney 教授指出“研究得出的這些方程改善了TM模式三角形晶格PCSELs的平面二維耦合，這一點(diǎn)特別有利于低折射率對比度的設(shè)備”。

另一個研究推導(dǎo)出的方程，即晶格單元中耦合波方程的一般形式，可以進(jìn)一步幫助設(shè)計(jì)效率更高的PCSELs激光器。此外，研究人員還確定了三角形晶格PCSELs的“基本激光模式”，即能夠產(chǎn)生最有效激光輸出的電磁場分布模式。

研究結(jié)果顯示，TM模式和TE模式（橫向電模式）在某些方面具有相似性，同時強(qiáng)調(diào)了TM模式在特定結(jié)構(gòu)中（尤其是低折射率對比度的設(shè)備中）所具有的獨(dú)特優(yōu)勢。

這些數(shù)學(xué)模型和耦合方程，為PC的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)，使研究人員能夠有針對性地提升設(shè)備效率和性能。