光子晶体激光器（PCSELs）高效性能提升！

斜率效率作为衡量PCSELs器件的重要指标，定义为单位注入电流的光功率。该指标与实现PCSELs高亮度直接相关。亮度表示激光束能够被聚焦的强度或发射的激光束发散的宽窄度。通常与激光器的功率成正比，与发射面积及发射光束的立体角成反比。因此斜率效率越大能够表明该激光器件的功率及亮度方面性能越好。

斜率效率用公式可以表示为：

其中，ħω为光子能量，e为基本电荷量（为1.6*10^-19 eV），A为激光器衬底的单程光吸收，ηi为有源层的载流子注入效率，αv,up、αv,down、α//及α0则分别表示激射模式的向上及向下的辐射常数、激射模式进入电流注入区附近的面内损耗及材料本身吸收和散射损耗导致的本征损耗。上述四个辐射常数及损耗之间的关系可见下图。

根据上述斜率效率的公式可见，要想增大器件的输出功率或亮度可以从上述的四个辐射常数及损耗入手。首先是考虑如何能够增大αv,up，决定αv（αv,up与αv,down的总和）的最重要的因素之一是辐射波在远场的相消程度，辐射波由PC层中通过布洛赫基波之间的光学耦合形成的2D共振模式发射到远场，其相消程度取决于2D共振模式的对称性，而2D共振模式的对称性则主要由晶格类型和晶胞中的格点的形状决定。换言之就是光子晶体格点的形状的对称性越强则辐射波在远程的相消越强而其辐射常数αv也就越小。因此可以考虑将光子晶体的晶格格点设计为对称性较小的形状，如三角形或不规则图形。其次，我们在上述考虑如何增大αv的过程中，αv,up和αv,down会同时增大，其中由于αv,down是往PCSELs出光孔的反方向辐射的，因此这部分的光将会是浪费的。所以我们应该考虑如何在增大αv,up的同时抑制αv,down。目前较常见的手段是在PCSELs器件的底部设置一层高反层或DBR来实现将向下辐射的光反射向上，这样所得到的αv,up值与背面反射镜的反射率以及反射光与向上辐射的光的干涉相位之间的关系可以表示为：

其中，αv0为无反射镜下的总辐射常数，R为反射镜的反射率、θB为干涉相位。因此，当相位为0时，产生相长干涉，αv,up=2αv0。第三，考虑如何减小面内损耗α//，这取决于基本布洛赫波之间的面内耦合强度和器件的尺寸。当器件的尺寸足够小（小于几十微米时），引入面内异质结结构可以有效的降低α//，异质结结构能够有效的将共振光限制在有源区内；当器件的尺寸适中（在数十微米到上百微米之间），通过调节光学限制因子和光子晶体晶胞中低折射率部分的填充因子，通过控制基本布洛赫波之间的面内光学耦合可以适当的降低α//。当器件的尺寸足够大时（直径在几百微米），α//将会自动减小。然而在这种情况下，多纵模震荡现象开始出现，不仅基模增强，更多的高阶振荡模式也随之增强。最后，考虑如何降低材料的本征损耗α0，其中包含材料的吸收损耗及散射损耗。在III-V组半导体材料激光器中，材料的吸收损耗主要来源于包层中的自由载流子吸收。而p包层中的自由载流子吸收要远大于n包层，因此通过设计非对称垂直结构来实现减小p包层的光分布从而减小该区域的吸收损耗。

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