Nichia Corporation a Kyoto University v Japonsku hlásí rozšíření schopností povrchově emitujících laserů fotonických krystalů (PCSEL) na zelené pásmo viditelného spektra [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Výzkumníci popisují vývoj zelených PCSEL jako „primitivní“ ve srovnání s modrými PCSEL nebo zelenými laserovými diodami emitujícími okraj a laserovými diodami s povrchem vyzařujícím vertikální dutinu. Tým však doufá, že tato zařízení budou atraktivní pro aplikace, jako je zpracování materiálů, osvětlení s vysokým jasem a displeje.
Fotonické krystaly (PC) využívají k řízení optického chování dvourozměrnou mřížkovou strukturu materiálů s různými indexy lomu. Výzkumníci od PCSEL konkrétně očekávají, že budou používat toto ovládání, aby bylo snazší dosáhnout jednorežimového chování při vyšších výstupních výkonech, a tím zlepšit kvalitu paprsku.
Výzkumníci poznamenali: "Využitím singularit (např. Γ) fotonických krystalů, PCSEL dosahuje vertikálních a laterálních oscilací v jediném režimu a také paprsků záření s nízkou divergenci s úhly menšími než 0,2 stupně." PCSEL také šíří optický výkon na větší objem rezonátoru, čímž se zabrání katastrofickému optickému poškození (COD) způsobenému intenzivní optickou hustotou.
Fotonické krystaly byly vytvořeny v kontaktní vrstvě p-GaN epitaxního materiálu PCSEL za použití výplňového materiálu oxidu křemičitého (SiO2) spíše než vzduchu, což bylo běžnější v předchozích studiích (obr. 1). Pěstování aktivní vrstvy a následné vytvoření fotonického krystalu umožňuje nastavení mřížkové konstanty (a) fotonického krystalu podle naměřené vlnové délky zesílení aktivní vrstvy epitaxní struktury.
Obrázek 1: Struktura PCSEL na bázi GaN se zelenou vlnovou délkou: (a) Průřez řezaným čipem; (b) (nahoře) Snímek fotonického krystalu na povrchu p-GaN po odstranění elektrod ITO z rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM); (dole) Schéma návrhu fotonického krystalu s dvojitou mřížkou.
Naplnění mřížky SiO2 zabraňuje průchodu svodového proudu vodivými částicemi na bočních stěnách otvorů mřížky, což vede ke stabilnější kontrole proudu a snížení parazitních svodových proudů. SiO2 také zlepšuje efektivní index lomu vrstvy fotonického krystalu, což způsobuje naváděcí režim pro pohyb směrem k fotonickému krystalu a zlepšuje vazbu na optické pole.
Jednou nevýhodou použití Si02 je, že snižuje kontrast indexu lomu mezi fotonickým krystalem a GaN, což ztěžuje ovládání světelných vln v rovině fotonického krystalu. Aby to vědci kompenzovali, zvětšili průměr mřížkových otvorů a použili dvoumřížkovou strukturu, kde se základní buňka skládá ze dvou mřížkových otvorů přesazených o 0.4a ve směru x a y. To bylo provedeno, řekli vědci, za účelem "získání dostatečného zadržování a spojení v rovině, i když je kontrast indexu lomu mezi p-GaN a SiO2 vyplňující fotonický krystal nízký."
Proces tvorby fotonického krystalu zahrnuje nanesení průhledného vodiče oxidu india a cínu (ITO) na epitaxní materiál z nitridu skupiny III, poté vyvrtání mřížkových otvorů fotonického krystalu pomocí indukčně vázaného plazmatu reaktivního iontového leptání (ICP-RIE) a jejich vyplnění. SiO2 pomocí plazmově chemické depozice z plynné fáze (CVD). materiál ITO byl ze struktury odstraněn, přičemž zůstala kruhová středová oblast o průměru 300- µm jako p-elektroda a krystal p-GaN jako p-elektroda. kruhová středová oblast sloužící jako vedení mezi p-elektrodou a p-GaN.
Výzkumníci uvádějí, že střed sloupků vyplněných SiO2-ve fotonickém krystalu obsahuje malý vzduchový otvor, podle zobrazování pomocí rastrovací elektronové mikroskopie. Tým komentoval: "Tvar vzduchového otvoru je jednotný v rovině fotonického krystalu, a proto se předpokládá, že přítomnost vzduchového otvoru významně neovlivňuje výkon PCSEL."
Před dokončením výrobního procesu zařízení je třeba vrstvu n-GaN naleptat na stůl a poté nanést SiO2 k pokrytí stolu (kromě centrální oblasti ITO); p-elektrody a n-elektrody jsou naneseny na horní a spodní povrch; a na spodní kruhovou výstupní oblast laseru je aplikován antireflexní (AR) povlak. Zařízení pak byla odříznuta a převrácena na podstavci pro měření výkonu.
Zařízení s konstantou mřížky fotonického krystalu 210 nm dosáhlo maximálního výstupního výkonu asi 50 mW při injekčním proudu 5 A generujícím 500 ns pulzy s opakovací frekvencí 1 kHz. Jeho elektrooptická konverzní účinnost (WPE) byla 0,1 %. Prahová hodnota laseru byla dosažena při proudové hustotě 3,89 kA/cm2. Účinnost sklonu byla 0,02 W/A. Výstupní laser byl lineárně polarizován s poměrem polarizace 0,8. Úhel divergence kruhového vzoru vzdáleného pole (FFP) byl 0,2 stupně. Vlnová délka laseru byla 505,7 nm.
Vlnová délka laseru může být do určité míry vyladěna, když se parametr mřížky fotonického krystalu a pohybuje mezi 210 nm a 217 nm (obr. 2). Maximální emisní vlnová délka zařízení 217 nm je 520,5 nm. vrchol zisku aktivní vrstvy je asi 505 nm, takže je obtížnější produkovat laserové světlo na delších vlnových délkách, což vede ke zvýšení prahu se zvýšením konstanty mřížky fotonického krystalu.
Výzkumníci také uvádějí, že některá zařízení s vysokými konstantami mřížky fotonického krystalu vyzařují plošné laserové záření s lineárními vzory vzdáleného pole. Tým připisuje takové plošné laserové záření fluktuacím ve struktuře fotonického krystalu a relativně nízkému vazebnému koeficientu fotonického krystalu.
Výzkumníci poznamenali: "Účinnost elektro-optické konverze lze zlepšit optimalizací vrstvy fotonických krystalů a vrstvy epitaxních krystalů. U fotonických krystalů se očekává silnější vazba v rovině a vertikální záření optimalizací geometrie. Vrstva epitaxních krystalů by měla být navrženy tak, aby maximalizovaly sílu základních vodících módů v oblasti fotonického krystalu a zároveň zohledňovaly neluminiscenční ztráty vstřikovaných nosičů."
Naléhavou potřebou budoucího výzkumu je realizace kontinuálního provozu.
