Корпорація Nichia та Кіотський університет у Японії повідомляють про розширення можливостей поверхнево-випромінюючих лазерів (PCSEL) на зелену смугу видимого спектру [Natsuo Taguchi et al, Appl. фіз. Експрес, v17, p012002, 2024].
Дослідники описують розробку зелених PCSEL як «примітивну» в порівнянні з синіми PCSEL або зеленими лазерними діодами, що випромінюють край, і лазерними діодами, що випромінюють поверхню з вертикальним резонатором. Однак команда сподівається, що ці пристрої будуть привабливими для таких застосувань, як обробка матеріалів, високояскраве освітлення та дисплеї.
Фотонні кристали (ФК) використовують двовимірну структуру решітки матеріалів із різними показниками заломлення для контролю оптичної поведінки. Дослідники особливо сподіваються, що PCSEL використовуватиме цей контроль, щоб полегшити досягнення одномодової поведінки при більшій вихідній потужності, тим самим покращуючи якість променя.
Дослідники прокоментували: «Використовуючи сингулярності (наприклад, Γ) фотонних кристалів, PCSEL досягає вертикальних і бічних одномодових коливань, а також променів випромінювання з низькою розбіжністю з кутами менше 0.2 градуса». PCSEL також розподіляє оптичну потужність на більший об’єм резонатора, таким чином уникаючи катастрофічного оптичного пошкодження (COD), викликаного високою оптичною щільністю.
Фотонні кристали були сформовані в контактному шарі p-GaN епітаксійного матеріалу PCSEL з використанням наповнювача з діоксиду кремнію (SiO2), а не з повітря, що було більш поширеним у попередніх дослідженнях (рис. 1). Вирощування активного шару, а потім створення фотонного кристала дозволяє регулювати постійну решітки (a) фотонного кристала відповідно до виміряної довжини хвилі посилення активного шару епітаксіальної структури.
Рисунок 1: Структура PCSEL на основі GaN із зеленою довжиною хвилі: (a) Поперечний переріз вирізаної мікросхеми; (b) (вгорі) зображення фотонного кристала на поверхні p-GaN за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM) після видалення електродів ITO; (внизу) Схема конструкції фотонного кристала з подвійною решіткою.
Заповнення решітки SiO2 запобігає проходженню струму витоку через провідні частинки на бічних стінках отворів решітки, що забезпечує більш стабільний контроль струму та зменшення паразитних струмів витоку. SiO2 також покращує ефективний показник заломлення шару фотонного кристала, що спричиняє напрямний режим для руху до фотонного кристала та посилення зв’язку з оптичним полем.
Одним із недоліків використання SiO2 є те, що він зменшує контраст показника заломлення між фотонним кристалом і GaN, що ускладнює контроль світлових хвиль у площині фотонного кристала. Щоб компенсувати це, дослідники збільшили діаметр отворів решітки та використали подвійну решітку, де елементарна комірка складається з двох отворів решітки, зміщених на 0.4a в напрямках x і y. За словами дослідників, це було зроблено, щоб «отримати достатнє утримання в площині та зв’язок, навіть якщо контраст показника заломлення між p-GaN і SiO2, що заповнюють фотонний кристал, низький».
Процес утворення фотонного кристала передбачає нанесення прозорого провідника з оксиду індію і олова (ITO) на епітаксіальний матеріал нітриду групи III, потім свердління отворів у решітці фотонного кристала за допомогою реактивного іонного травлення з індуктивно пов’язаною плазмою (ICP-RIE), а потім їх заповнення. з SiO2 за допомогою плазмохімічного осадження з газової фази (CVD). матеріал ITO було видалено зі структури, залишивши круглу центральну область діаметром 300- мкм як p-електрод і кристал p-GaN як p-електрод. кругла центральна область, яка служить провідником між p-електродом і p-GaN.
Дослідники повідомляють, що центр стовпів, заповнених SiO2-, у фотонному кристалі містить невеликий повітряний отвір, згідно зі скануючою електронною мікроскопією. Команда прокоментувала: «Форма повітряного отвору є однорідною в площині фотонного кристала, і тому вважається, що наявність повітряного отвору істотно не впливає на продуктивність PCSEL».
Перед завершенням процесу виготовлення пристрою шар n-GaN потрібно витравити на столі, а потім нанести SiO2, щоб покрити стіл (за винятком центральної зони ITO); р-електроди і n-електроди нанесені на верхню і нижню поверхні відповідно; і антиблікове (AR) покриття наноситься на нижню круглу ділянку виведення лазера. Потім пристрої були розрізані та перевернуті на додаткове кріплення для вимірювання продуктивності.
Пристрій із постійною фотонно-кристалічної решітки 210 нм досяг максимальної вихідної потужності близько 50 мВт при інжекційному струмі 5 А, що генерує 500 нс імпульсів з частотою повторення 1 кГц. Його ефективність електрооптичного перетворення (WPE) становила 0,1%. Поріг генерації досягався при густині струму 3,89 кА/см2. Ефективність нахилу склала 0,02 Вт/А. Вихідний лазер був лінійно поляризований із коефіцієнтом поляризації 0,8. Кут розбіжності кругової діаграми дальньої зони (FFP) становив 0,2 градуса. Довжина хвилі лазера становила 505,7 нм.
Довжина хвилі лазера може бути певною мірою налаштована, коли параметр фотонної кристалічної решітки a змінюється між 210 нм і 217 нм (рис. 2). Максимальна довжина хвилі випромінювання пристрою 217 нм становить 520,5 нм. пік підсилення активного шару становить близько 505 нм, тому важче створювати лазерне світло на більшій довжині хвилі, що призводить до збільшення порогу зі збільшенням постійної фотонної кристалічної решітки.
Дослідники також повідомляють, що деякі пристрої з високими константами фотонної кристалічної решітки випромінюють плоску смугу лазерного випромінювання з лінійними візерунками дальнього поля. Команда пояснює таку генерацію плоскої смуги коливаннями в структурі фотонного кристала та відносно низьким коефіцієнтом зв’язку фотонного кристала.
Дослідники прокоментували: «Ефективність електрооптичного перетворення можна покращити шляхом оптимізації фотонного кристалічного шару та епітаксійного кристалічного шару. Для фотонних кристалів очікується сильніший зв’язок у площині та вертикальне випромінювання за рахунок оптимізації геометрії. Епітаксіальний кристалічний шар повинен бути розроблений таким чином, щоб максимізувати силу основних напрямних мод в області фотонного кристала, враховуючи також нелюмінесцентні втрати інжектованих носіїв».
Нагальною потребою майбутніх досліджень є реалізація безперервної роботи.
