面向高效紫外表面发射的纳米线光子晶体激光器仿真优化研究

《IEEE Photonics Journal》：Optimization of Surface-Emitting UV Nanowire Photonic Crystal Lasers: A Simulation-Driven Approach

本文推荐一项关于紫外表面发射激光器的重要研究。针对当前高效紫外表面发射激光器发展滞后的问题，研究人员通过仿真驱动方法系统优化了GaN/AlGaN纳米线光子晶体激光器结构。研究提出了物理分析新模式，揭示了光子晶体模式、纳米线模式和空气模式间的相互作用机制，建立了通用设计准则。优化后器件表面输出效率提升60倍以上，为消毒、传感和非视距通信等应用提供了高性能紫外光源解决方案。

　　

在光电子技术领域，紫外激光器在消毒灭菌、光谱分析、光通信和树脂固化等应用场景中展现出巨大潜力。特别是基于AlGaN(铝镓氮)材料的半导体紫外光源，因其宽禁带特性可实现全紫外波段发射，且具备优异的热稳定性，成为高温环境下紫外激光二极管的理想选择。然而与成熟的红外和可见光激光器相比，高效表面发射的深紫外半导体激光器的发展明显滞后，这主要源于器件设计和制造工艺的多重挑战。

传统上，研究人员主要通过改进制备工艺来实现性能提升，但这种方法往往陷入"试错"循环，缺乏系统性的理论指导。纳米线结构因其低位错密度、高内量子效率和低光吸收等优势，为紫外激光器提供了新思路。特别是将纳米线排列成周期性二维光子晶体结构，可利用高折射率对比度实现强光场限制和高提取效率，成为表面发射激光器的理想候选结构。

在这项发表于《IEEE Photonics Journal》的研究中，研究团队提出了一种仿真驱动的系统优化方法，专门针对GaN/AlGaN纳米线光子晶体激光器结构进行精准设计。该方法创新性地引入了物理分析新模式，重点研究光子晶体模式及其衍射分量与纳米线模式、空气模式的相互作用机制，为理解器件物理过程提供了全新视角。

研究团队采用多层次仿真策略：首先利用一维光学模式求解器分析纳米线波导结构，通过二维求解器预筛选泄漏设计，最后采用三维有限时域差分法进行最终优化。这种由简到繁的仿真流程显著降低了计算资源需求，为复杂多参数优化问题提供了高效解决方案。

研究的关键突破在于建立了表面发射纳米线光子晶体激光器的通用设计准则。团队发现，器件性能主要取决于结构对光子晶体模式的支撑能力，而这又与纳米线波导各层厚度密切相关。通过系统优化，研究人员成功将表面输出效率从初始的2%提升至67.9%，实现了超过34倍的性能提升。

研究方法的核心技术包括：一维光学模式求解器用于分析纳米线波导的轴向模式特性；二维光子能带求解器(MIT Photonic Bands)计算三角晶格排列的光子晶体能带结构；三维有限时域差分法(MEEP软件)完整模拟纳米线光子晶体激光器的光学特性。研究以边缘发射紫外纳米线激光器为基准验证了仿真模型的准确性，确保优化结果的可靠性。

纳米线结构与优化方法

研究采用的初始纳米线结构包含600nm n-GaN层、400nm n-Al_0.5Ga_0.5N下包层、130nm核心层(含量子阱和分离限制异质结构)、250nm p-Al_0.2Ga_0.8N上包层和30nm p-GaN层。纳米线以三角晶格排列形成光子晶体，选取半径与晶格常数比r/a=0.4以平衡折射率对比度和增益材料体积。研究重点关注Γ点的平坦能带条件，这对表面发射效率至关重要。

TE偏振光子晶体模式

研究选择有效折射率为2.568的一阶横电模式(TE模式)作为工作模式，该模式在核心层具有良好的限制特性且无节点，能确保与量子阱的最佳重叠。光子能带计算显示，在归一化频率a/λ=0.568处，能带3和4在Γ点简并，对应365nm目标波长(GaN的带间跃迁波长)。

光子晶体模式的垂直方向光学限制

通过系统分析各层参数对模式限制的影响，研究发现下包层铝含量从20%增加至50%时，折射率对比度提高使模式向上偏移，减少了向衬底的泄漏，品质因子从431显著提升至6924，表面输出效率从2.0%增至48.2%。上包层厚度优化在250-270nm范围内时，向n-GaN层的模式能量泄漏最小。

面外模式结构

对衍射光子晶体模式的分析揭示了性能优化的物理机制。当纳米线上部总厚度t_UP=420nm(含30nm p-GaN、260nm上包层和130nm核心层)时，H_y和H_x分量在空气/p-GaN界面(P1)和核心/下包层界面(P2)形成有序驻波模式，两处场峰值存在λ/2相位差，对应高效的光子晶体模式支撑。而厚度偏离此最优值时，模式变得无序，导致性能下降。

结构优化

通过系统优化上包层和下包层厚度组合，研究获得了性能优异的器件结构(结构3)：上包层240nm、下包层470nm、n-GaN层440nm。该结构表面输出效率达67.9%，品质因子为7656，模式能量主要集中在核心层(43.1%)和上包层(48.1%)，向n-GaN层的泄漏可忽略不计。

研究还对比了仅优化品质因子的结构(结构4)，其品质因子高达44779但表面输出效率仅0.23%。激光仿真表明，结构3在光学泵浦和电注入条件下均表现出更高的表面发射强度，证明表面输出效率是比品质因子更关键的优化指标。

远场和偏振特性

远场辐射模拟显示光束发散角约为6°，偏振度达0.98，表明器件具有高度定向的偏振发射特性，符合激光器典型特征。

仿真器件的实际可行性

研究通过对比已实现的边缘发射纳米线激光器验证了设计结构的可行性。添加填充材料(折射率1.46)的仿真表明，优化后的设计在真实器件中仍能保持良好性能。研究还分析了电注入器件的实际挑战，如p型掺杂上包层的吸收损耗可通过优化掺杂分布和量子阱位置来缓解。

研究通过有限光子晶体仿真评估了侧向损耗，发现对于面积大于61.8μm²的实际器件，侧向损耗可控制在可接受范围。制造公差分析表明，优化结构对典型的分子束外延生长波动具有良好容错性。

表面发射纳米线光子晶体激光器优化指南

基于研究成果，团队提出了系统优化指南：避免泄漏设计；利用二维光子能带求解器识别平坦能带；通过三维有限时域差分法最终优化；确保面外光子晶体模式得到良好支撑；优化下部结构厚度使反射模式与光子晶体模式相长干涉；平衡品质因子和表面输出效率；优化掺杂分布降低吸收损耗。

研究还将该优化方法应用于已报道的绿光纳米线光子晶体激光器，将其表面输出效率从29.5%提升至71.8%，证明了方法的普适性。

该研究建立的仿真驱动优化框架为高性能纳米线光子器件开发提供了有效途径，显著降低了传统试错法所需的资源和时间成本。通过精准调控关键设计参数，为实现低成本、高性能紫外发光器件奠定了理论基础，对推动光子晶体技术在更广泛领域的应用具有重要意义。