Korporacija Nichia i Sveučilište Kyoto u Japanu izvješćuju o proširenju mogućnosti lasera koji emitiraju površinu fotonskih kristala (PCSEL) na zeleni pojas vidljivog spektra [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Istraživači opisuju razvoj zelenih PCSEL-a kao "primitivan" u usporedbi s plavim PCSEL-om ili zelenim laserskim diodama koje emitiraju rubove i laserskim diodama koje emitiraju površinu s okomitom šupljinom. Međutim, tim se nada da će ovi uređaji biti atraktivni za aplikacije kao što su obrada materijala, rasvjeta visoke svjetline i zasloni.
Fotonski kristali (PC) koriste dvodimenzionalnu strukturu rešetke materijala s različitim indeksima loma za kontrolu optičkog ponašanja. Istraživači posebno očekuju od PCSEL-a da koriste ovu kontrolu kako bi olakšali postizanje jednomodnog ponašanja pri većim izlaznim snagama, čime se poboljšava kvaliteta snopa.
Istraživači su komentirali: "Iskorištavanjem singularnosti (npr. Γ) fotonskih kristala, PCSEL postiže vertikalne i bočne jednomodne oscilacije kao i niske divergentne zrake zračenja s kutovima manjim od 0.2 stupnja." PCSEL također širi optičku snagu preko većeg volumena rezonatora, čime se izbjegavaju katastrofalna optička oštećenja (COD) uzrokovana velikom optičkom gustoćom.
Fotonski kristali formirani su u kontaktnom sloju p-GaN epitaksijalnog materijala PCSEL korištenjem materijala za punjenje od silicijevog dioksida (SiO2) umjesto zraka, što je bilo češće u prethodnim studijama (Slika 1). Uzgoj aktivnog sloja i zatim stvaranje fotonskog kristala omogućuje podešavanje konstante rešetke (a) fotonskog kristala prema izmjerenoj valnoj duljini pojačanja aktivnog sloja epitaksijalne strukture.
Slika 1: Struktura PCSEL-a na bazi GaN sa zelenom valnom duljinom: (a) Poprečni presjek izrezanog čipa; (b) (gore) slika fotonskog kristala na površini p-GaN skenirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM) nakon uklanjanja ITO elektroda; (dolje) Shema projektiranja fotonskih kristala s dvostrukom rešetkom.
Ispunjavanje rešetke SiO2 sprječava prolazak struje curenja kroz vodljive čestice na bočnim stjenkama otvora rešetke, što dovodi do stabilnije kontrole struje i smanjenih parazitskih struja curenja. SiO2 također poboljšava efektivni indeks loma fotonskog kristalnog sloja, što uzrokuje način navođenja za kretanje prema fotonskom kristalu i pojačava spregu s optičkim poljem.
Jedan nedostatak korištenja SiO2 je taj što smanjuje kontrast indeksa loma između fotonskog kristala i GaN, što otežava kontrolu svjetlosnih valova u ravnini fotonskog kristala. Kako bi to kompenzirali, istraživači su povećali promjer otvora rešetke i upotrijebili strukturu s dvostrukom rešetkom, gdje se jedinična ćelija sastoji od dva otvora rešetke pomaknuta za 0.4a u smjerovima x i y. Ovo je učinjeno, rekli su istraživači, kako bi se "postiglo dovoljno ograničenje u ravnini i spajanje čak i ako je kontrast indeksa loma između p-GaN i SiO2 koji ispunjava fotonski kristal nizak."
Proces formiranja fotonskog kristala uključuje taloženje prozirnog vodiča od indij-kositrenog oksida (ITO) na epitaksijalni materijal nitrida grupe III, zatim bušenje rupa u rešetki fotonskog kristala s induktivno spregnutom plazmom reaktivnim ionskim nagrizanjem (ICP-RIE), i zatim njihovo punjenje sa SiO2 pomoću plazma kemijskog taloženja iz pare (CVD). ITO materijal je uklonjen iz strukture, ostavljajući kružno središnje područje promjera 300-µm kao p-elektrodu i kristal p-GaN kao p-elektrodu. kružno središnje područje koje služi kao provodnik između p-elektrode i p-GaN.
Istraživači izvješćuju da središte stupova ispunjenih SiO2-u fotonskom kristalu sadrži malu zračnu rupu, prema slici skenirajuće elektronske mikroskopije. Tim je komentirao: "Oblik zračne rupe ujednačen je unutar ravnine fotonskog kristala i stoga se vjeruje da prisutnost zračne rupe ne utječe značajno na performanse PCSEL-a."
Prije dovršetka procesa izrade uređaja, sloj n-GaN treba biti ugraviran na stolu, a zatim se nanosi SiO2 da pokrije stol (osim središnjeg ITO područja); p-elektrode i n-elektrode nataložene su na gornjoj i donjoj površini; a anti-refleksni (AR) premaz nanosi se na donje kružno izlazno područje lasera. Uređaji su zatim izrezani i okrenuti na podnožje za mjerenje performansi.
Uređaj s konstantom fotonske kristalne rešetke od 210 nm postigao je maksimalnu izlaznu snagu od oko 50 mW pri struji ubrizgavanja od 5 A generirajući 500 ns impulsi na frekvenciji ponavljanja od 1 kHz. Njegova učinkovitost elektro-optičke pretvorbe (WPE) bila je 0,1%. Prag laseriranja je postignut pri gustoći struje od 3,89 kA/cm2. Učinkovitost nagiba bila je 0,02 W/A. Izlazni laser bio je linearno polariziran s omjerom polarizacije od 0,8. Kut divergencije kružnog uzorka dalekog polja (FFP) bio je 0,2 stupnja. Valna duljina lasera bila je 505,7 nm.
Valna duljina lasera može se u određenoj mjeri podesiti kada se parametar fotonske kristalne rešetke a mijenja između 210 nm i 217 nm (slika 2). Najveća valna duljina emisije uređaja od 217 nm je 520,5 nm. vrh pojačanja aktivnog sloja je oko 505 nm, tako da je teže proizvesti lasersko svjetlo na dužim valnim duljinama, što dovodi do povećanja praga s povećanjem konstante fotonske kristalne rešetke.
Istraživači također izvješćuju da neki uređaji s visokim konstantama fotonske kristalne rešetke emitiraju ravnopojasni laser s linearnim uzorcima dalekog polja. Tim pripisuje takvo ravnopojasno lasersko zračenje fluktuacijama u fotonskoj kristalnoj strukturi i relativno niskom koeficijentu sprezanja fotonskog kristala.
Istraživači su komentirali: "Učinkovitost elektro-optičke pretvorbe može se poboljšati optimiziranjem fotonskog kristalnog sloja i epitaksijalnog kristalnog sloja. Za fotonske kristale očekuje se jače spajanje u ravnini i okomito zračenje optimiziranjem geometrije. Epitaksijalni kristalni sloj bi trebao biti dizajniran da maksimizira snagu temeljnih vodećih modova u području fotonskih kristala, uzimajući u obzir i neluminiscentne gubitke ubrizganih nositelja."
Hitna potreba za buduća istraživanja je realizacija rada s kontinuiranim valom.
