Korporacija Nichia in Univerza Kyoto na Japonskem poročata o razširitvi zmogljivosti površinsko oddajajočih laserjev s fotonskimi kristali (PCSEL) na zeleni pas vidnega spektra [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Raziskovalci opisujejo razvoj zelenih PCSEL kot "primitiven" v primerjavi z modrimi PCSEL ali zelenimi laserskimi diodami, ki oddajajo robove, in laserskimi diodami, ki oddajajo površino z navpično votlino. Vendar ekipa upa, da bodo te naprave privlačne za aplikacije, kot so obdelava materialov, osvetlitev visoke svetlosti in zasloni.
Fotonski kristali (PC) uporabljajo dvodimenzionalno mrežno strukturo materialov z različnimi lomnimi količniki za nadzor optičnega obnašanja. Raziskovalci še posebej pričakujejo, da bodo PCSEL uporabili ta nadzor za lažje doseganje enomodnega obnašanja pri večjih izhodnih močeh in s tem izboljšanje kakovosti žarka.
Raziskovalci so komentirali: "Z izkoriščanjem singularnosti (npr. Γ) fotonskih kristalov PCSEL doseže navpična in stranska enomodna nihanja ter sevalne žarke z nizko divergenco s koti, manjšimi od 0.2 stopinje." PCSEL tudi razširi optično moč na večjo prostornino resonatorja, s čimer se izogne katastrofalni optični poškodbi (COD), ki jo povzroči intenzivna optična gostota.
Fotonski kristali so bili oblikovani v kontaktni plasti p-GaN epitaksialnega materiala PCSEL z uporabo polnilnega materiala iz silicijevega dioksida (SiO2) namesto zraka, kar je bilo pogostejše v prejšnjih študijah (slika 1). Gojenje aktivne plasti in nato ustvarjanje fotoničnega kristala omogoča prilagajanje konstante mreže (a) fotoničnega kristala glede na izmerjeno valovno dolžino ojačanja aktivne plasti epitaksialne strukture.
Slika 1: Struktura PCSEL na osnovi GaN z zeleno valovno dolžino: (a) Prečni prerez odrezanega čipa; (b) (zgoraj) Slika fotonskega kristala na površini p-GaN z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) po odstranitvi elektrod ITO; (spodaj) Shema načrtovanja fotonskih kristalov z dvojno mrežo.
Polnjenje rešetke s SiO2 preprečuje prehod uhajalnega toka skozi prevodne delce na stranskih stenah rešetkastih lukenj, kar vodi do stabilnejšega nadzora toka in zmanjšanih parazitskih uhajajočih tokov. SiO2 izboljša tudi efektivni lomni količnik plasti fotonskih kristalov, kar povzroči način vodenja za premikanje proti fotonskemu kristalu in izboljša sklopitev z optičnim poljem.
Ena pomanjkljivost uporabe SiO2 je, da zmanjša kontrast lomnega količnika med fotonskim kristalom in GaN, zaradi česar je težje nadzorovati svetlobne valove v ravnini fotonskega kristala. Da bi to nadomestili, so raziskovalci povečali premer mrežnih lukenj in uporabili strukturo z dvojno rešetko, kjer je enota celice sestavljena iz dveh mrežnih lukenj, zamaknjenih za 0.4a v smereh x in y. Raziskovalci so povedali, da je bilo to storjeno, da bi "dobili zadostno omejitev v ravnini in sklopitev, tudi če je kontrast lomnega količnika med p-GaN in SiO2, ki polnita fotonski kristal, nizek."
Postopek tvorbe fotonskih kristalov vključuje odlaganje prozornega prevodnika iz indijevega kositrovega oksida (ITO) na epitaksialni material nitrida skupine III, nato vrtanje lukenj v rešetko fotonskega kristala z jedkanjem z reaktivnimi ioni z induktivno sklopljeno plazmo (ICP-RIE) in nato njihovo polnjenje s SiO2 z uporabo kemičnega naparjevanja v plazmi (CVD). material ITO je bil odstranjen iz strukture, pri čemer je ostalo krožno osrednje območje s premerom 300-µm kot p-elektroda in kristal p-GaN kot p-elektroda. krožno osrednje območje, ki služi kot prevodnik med p-elektrodo in p-GaN.
Raziskovalci poročajo, da središče stebrov, napolnjenih s SiO2-, v fotonskem kristalu vsebuje majhno zračno luknjo, glede na slike z vrstično elektronsko mikroskopijo. Ekipa je komentirala: "Oblika zračne luknje je enotna znotraj ravnine fotonskega kristala, zato se domneva, da prisotnost zračne luknje ne vpliva bistveno na delovanje PCSEL."
Pred dokončanjem postopka izdelave naprave je treba plast n-GaN namizno jedkati in nato nanesti SiO2, da pokrije mizo (razen osrednjega območja ITO); p-elektrode in n-elektrode so nanesene na zgornjo oziroma spodnjo površino; na spodnje krožno lasersko izhodno območje pa je nanesen antirefleksni (AR) premaz. Naprave so bile nato razrezane in obrnjene na podstavek za meritve zmogljivosti.
Naprava s konstanto fotonske kristalne mreže 210 nm je dosegla največjo izhodno moč približno 50 mW pri vbrizgalnem toku 5 A, ki je ustvaril 500 ns impulzov s frekvenco ponavljanja 1 kHz. Njegova učinkovitost elektro-optične pretvorbe (WPE) je bila 0,1 %. Laserski prag je bil dosežen pri gostoti toka 3,89 kA/cm2. Učinkovitost naklona je bila 0,02 W/A. Izhodni laser je bil linearno polariziran s polarizacijskim razmerjem 0,8. Divergenčni kot krožnega vzorca daljnega polja (FFP) je bil 0,2 stopinje. Valovna dolžina laserja je bila 505,7 nm.
Valovno dolžino laserja je mogoče do neke mere prilagoditi, ko se parameter fotonske kristalne mreže a spreminja med 210 nm in 217 nm (slika 2). Največja emisijska valovna dolžina naprave 217 nm je 520,5 nm. vrh ojačanja aktivne plasti je približno 505 nm, zato je težje proizvesti lasersko svetlobo pri daljših valovnih dolžinah, kar vodi do povečanja praga s povečanjem konstante fotonske kristalne mreže.
Raziskovalci tudi poročajo, da nekatere naprave z visokimi konstantami fotonske kristalne mreže oddajajo ravno pasovno lasersko sevanje z linearnimi vzorci daljnega polja. Ekipa pripisuje takšno lasersko sevanje v ravnem pasu nihanjem v fotonski kristalni strukturi in razmeroma nizkemu sklopitvenemu koeficientu fotonskega kristala.
Raziskovalci so komentirali: "Učinkovitost elektro-optične pretvorbe je mogoče izboljšati z optimizacijo fotonske kristalne plasti in epitaksialne kristalne plasti. Za fotonske kristale se pričakuje močnejša sklopitev v ravnini in navpično sevanje z optimizacijo geometrije. Epitaksialna kristalna plast bi morala biti zasnovan tako, da poveča moč osnovnih vodilnih načinov v območju fotonskih kristalov, hkrati pa upošteva neluminiscenčno izgubo vbrizganih nosilcev."
Nujna potreba za prihodnje raziskave je uresničitev delovanja z neprekinjenimi valovi.
