IEEE新突破：数学解法引领光子晶体激光器创新

研究人员推导出用于评估PCSELs效率的方程式

电气电子工程师学会（IEEE）研究人员推导出光子晶体表面的二维耦合波方程，推动高效激光器的开发。

激光二极管利用半导体材料发光并通过不断反射（即“光学反馈”）来增强光强度。当光的强度达到所需的增益后，激光二极管就会释放出强大的激光束。光子晶体表面发射激光器（PCSELs）作为先进的激光二极管，它的光学增益主要沿着光在光子晶体（PC）结构中的传播方向分布。与传统激光器不同，PCSELs能够将增益、反馈和发射功能分开，从而实现更高功率的稳定单模输出，并带来更具创新性的设计。

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，研究人员以三角形晶格PCSELs（该类激光器中，PC形成了三角形的晶格结构）为实验对象，发现可以数值模拟光波在PCSELs中的相互作用，并且，三角形晶格PCSELs中的二维光波相互作用或“耦合”比方形晶格PCSELs中更强。这种增强的耦合提供了更强的光学反馈，有助于激光器的高效工作。

具体来说，研究人员关注了六个平面光波在晶体中的传播，以及它们通过布拉格衍射（Bragg diffraction）进行耦合的过程。接着，他们对这些平面光波在三角形晶格PCSELs中的二维耦合进行了数值模拟，并将其与光波在方形晶格PCSELs中的表现进行对比。

此外，研究人员还推导出了模式频率和耦合常数的解析方程，这些方程可与实验测得的能带结构（band structure）数据结合使用，帮助优化横向磁（TM）模式三角形晶格PCSELs的设计。IEEE高级会员、该研究的合著者之一 Stephen John Sweeney 教授指出“研究得出的这些方程改善了TM模式三角形晶格PCSELs的平面二维耦合，这一点特别有利于低折射率对比度的设备”。

另一个研究推导出的方程，即晶格单元中耦合波方程的一般形式，可以进一步帮助设计效率更高的PCSELs激光器。此外，研究人员还确定了三角形晶格PCSELs的“基本激光模式”，即能够产生最有效激光输出的电磁场分布模式。

研究结果显示，TM模式和TE模式（横向电模式）在某些方面具有相似性，同时强调了TM模式在特定结构中（尤其是低折射率对比度的设备中）所具有的独特优势。

这些数学模型和耦合方程，为PC的实验优化提供了理论基础，使研究人员能够有针对性地提升设备效率和性能。