Nichia Corporation a Kyoto University v Japonsku hlásia rozšírenie možností laserov vyžarujúcich povrch fotonického kryštálu (PCSEL) na zelený pás viditeľného spektra [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Výskumníci opisujú vývoj zelených PCSEL ako „primitívny“ v porovnaní s modrými PCSEL alebo zelenými okrajovými laserovými diódami a povrchovými laserovými diódami s vertikálnou dutinou. Tím však dúfa, že tieto zariadenia budú atraktívne pre aplikácie, ako je spracovanie materiálov, osvetlenie s vysokým jasom a displeje.
Fotonické kryštály (PC) využívajú na riadenie optického správania dvojrozmernú mriežkovú štruktúru materiálov s rôznymi indexmi lomu. Výskumníci očakávajú, že PCSEL budú používať túto kontrolu na uľahčenie dosiahnutia správania v jednom režime pri vyšších výstupných výkonoch, čím sa zlepší kvalita lúča.
Vedci poznamenali: „Využitím singularít (napr. Γ) fotonických kryštálov PCSEL dosahuje vertikálne a laterálne oscilácie v jednom režime, ako aj lúče žiarenia s nízkou divergenciou s uhlami menšími ako 0,2 stupňa.“ PCSEL tiež rozširuje optický výkon na väčší objem rezonátora, čím sa predchádza katastrofickému optickému poškodeniu (COD) spôsobenému intenzívnou optickou hustotou.
Fotonické kryštály sa vytvorili v kontaktnej vrstve p-GaN epitaxného materiálu PCSEL s použitím plniaceho materiálu oxidu kremičitého (SiO2) namiesto vzduchu, čo bolo bežnejšie v predchádzajúcich štúdiách (obr. 1). Rast aktívnej vrstvy a následné vytvorenie fotonického kryštálu umožňuje nastavenie mriežkovej konštanty (a) fotonického kryštálu podľa nameranej vlnovej dĺžky zisku aktívnej vrstvy epitaxnej štruktúry.
Obrázok 1: Štruktúra PCSEL na báze GaN so zelenou vlnovou dĺžkou: (a) Prierez narezaným čipom; (b) (hore) Snímka fotonického kryštálu na povrchu p-GaN po odstránení elektród ITO zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM); (dole) Schéma návrhu fotonického kryštálu s dvojitou mriežkou.
Naplnenie mriežky SiO2 zabraňuje prechodu zvodového prúdu cez vodivé častice na bočných stenách otvorov mriežky, čo vedie k stabilnejšej regulácii prúdu a zníženiu parazitných zvodových prúdov. SiO2 tiež zlepšuje efektívny index lomu vrstvy fotonického kryštálu, čo spôsobuje vodiaci režim, aby sa pohyboval smerom k fotonickému kryštálu a zlepšuje spojenie s optickým poľom.
Jednou nevýhodou použitia Si02 je, že znižuje kontrast indexu lomu medzi fotonickým kryštálom a GaN, čo sťažuje ovládanie svetelných vĺn v rovine fotonického kryštálu. Aby sa to kompenzovalo, výskumníci zväčšili priemer mriežkových otvorov a použili štruktúru s dvojitou mriežkou, kde jednotková bunka pozostáva z dvoch mriežkových otvorov posunutých o 0.4a v smere x a y. Vedci uviedli, že to bolo urobené s cieľom "získať dostatočné zadržanie a spojenie v rovine, aj keď je kontrast indexu lomu medzi p-GaN a Si02 vyplňujúcimi fotonický kryštál nízky."
Proces tvorby fotonického kryštálu zahŕňa nanesenie priehľadného vodiča oxidu india a cínu (ITO) na epitaxiálny materiál z nitridu skupiny III, potom vyvŕtanie otvorov mriežky fotonického kryštálu pomocou indukčne viazaného plazmového reaktívneho iónového leptania (ICP-RIE) a ich vyplnenie. SiO2 pomocou plazmovo-chemického naparovania (CVD). materiál ITO bol odstránený zo štruktúry, pričom zostala kruhová stredová oblasť s priemerom 300- µm ako p-elektróda a kryštál p-GaN ako p-elektróda. kruhová stredová oblasť slúžiaca ako vedenie medzi p-elektródou a p-GaN.
Výskumníci uvádzajú, že stred stĺpikov vyplnených SiO2-vo fotonickom kryštáli obsahuje malý vzduchový otvor, podľa zobrazovania pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie. Tím komentoval: "Tvar vzduchového otvoru je jednotný v rovine fotonického kryštálu, a preto sa verí, že prítomnosť vzduchového otvoru významne neovplyvňuje výkon PCSEL."
Pred dokončením procesu výroby zariadenia je potrebné vrstvu n-GaN naleptať na stôl a potom naniesť SiO2, aby pokryl stôl (okrem centrálnej oblasti ITO); p-elektródy a n-elektródy sú uložené na hornom a spodnom povrchu; a na spodnú kruhovú výstupnú oblasť lasera je aplikovaný antireflexný (AR) povlak. Zariadenia boli potom odrezané a prevrátené na podstavec na meranie výkonu.
Zariadenie s mriežkovou konštantou fotonického kryštálu 210 nm dosiahlo maximálny výstupný výkon približne 50 mW pri vstrekovacom prúde 5 A generujúcom 500 ns impulzy s opakovacou frekvenciou 1 kHz. Jeho elektrooptická účinnosť konverzie (WPE) bola 0,1 %. Prah lasera bol dosiahnutý pri prúdovej hustote 3,89 kA/cm2. Účinnosť sklonu bola 0,02 W/A. Výstupný laser bol lineárne polarizovaný s pomerom polarizácie 0,8. Uhol divergencie kruhového vzoru vzdialeného poľa (FFP) bol 0,2 stupňa. Vlnová dĺžka lasera bola 505,7 nm.
Vlnová dĺžka lasera môže byť do určitej miery vyladená, keď sa parameter mriežky fotonického kryštálu a pohybuje medzi 210 nm a 217 nm (obr. 2). Maximálna vlnová dĺžka emisie 217 nm zariadenia je 520,5 nm. vrchol zisku aktívnej vrstvy je asi 505 nm, takže je ťažšie produkovať laserové svetlo pri dlhších vlnových dĺžkach, čo vedie k zvýšeniu prahu so zvýšením konštanty mriežky fotonického kryštálu.
Výskumníci tiež uvádzajú, že niektoré zariadenia s vysokými konštantami mriežkovej mriežky fotonických kryštálov vyžarujú plošné laserové žiarenie s lineárnymi vzormi vzdialeného poľa. Tím pripisuje takýto plochý laserový lúč fluktuáciám v štruktúre fotonického kryštálu a relatívne nízkemu väzbovému koeficientu fotonického kryštálu.
Vedci poznamenali: "Efektívnosť elektro-optickej konverzie možno zlepšiť optimalizáciou vrstvy fotonického kryštálu a vrstvy epitaxných kryštálov. V prípade fotonických kryštálov sa očakáva silnejšia väzba v rovine a vertikálne žiarenie optimalizáciou geometrie. Vrstva epitaxných kryštálov by mala byť navrhnuté tak, aby maximalizovali silu základných vodiacich režimov v oblasti fotonického kryštálu, pričom zohľadňujú aj neluminiscenčnú stratu vstreknutých nosičov."
Naliehavou potrebou budúceho výskumu je realizácia nepretržitej prevádzky vĺn.
