Nichia Corporation i Kyoto Univerzitet u Japanu izvještavaju o proširenju mogućnosti lasera koji emituju površinu fotonskih kristala (PCSEL) na zelenu traku vidljivog spektra [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Istraživači opisuju razvoj zelenih PCSEL-a kao "primitivnog" u poređenju sa plavim PCSEL-ovima ili laserskim diodama koje emituju zelene ivice i laserskim diodama sa vertikalnim šupljinama koje emituju površinu. Međutim, tim se nada da će ovi uređaji biti atraktivni za primjene kao što su obrada materijala, osvjetljenje velike svjetline i displeji.
Fotonski kristali (PC) koriste dvodimenzionalnu rešetkastu strukturu materijala sa različitim indeksima prelamanja 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 bi se poboljšao kvalitet zraka.
Istraživači su komentarisali: "Iskorištavanjem singulariteta (npr. Γ) fotonskih kristala, PCSEL postiže vertikalne i bočne jednomodne oscilacije, kao i snopove zračenja niske divergencije sa uglovima manjim od 0.2 stepena." PCSEL također širi optičku snagu na veću zapreminu rezonatora, čime se izbjegavaju katastrofalna optička oštećenja (COD) uzrokovana intenzivnom optičkom gustinom.
Fotonski kristali su formirani u p-GaN kontaktnom sloju epitaksijalnog materijala PCSEL koristeći materijal za punjenje od silicijum dioksida (SiO2) umjesto zraka, što je bilo češće u prethodnim studijama (slika 1). Rast aktivnog sloja i zatim stvaranje fotonskog kristala omogućava da se konstanta rešetke (a) fotonskog kristala podesi prema izmjerenoj talasnoj dužini aktivnog sloja epitaksijalne strukture.
Slika 1: Struktura PCSEL-a na bazi GaN sa zelenom talasnom dužinom: (a) Poprečni presek isečenog čipa; (b) (gore) Skenirajući elektronski mikroskop (SEM) slika fotonskog kristala na površini p-GaN nakon uklanjanja ITO elektroda; (dole) Šema dizajna fotonskih kristala sa dvostrukom rešetkom.
Punjenje rešetke sa SiO2 sprečava da struja curenja prođe kroz provodne čestice na bočnim stranama rupa rešetke, što dovodi do stabilnije kontrole struje i smanjenih parazitskih struja curenja. SiO2 takođe poboljšava efektivni indeks loma sloja fotonskog kristala, što uzrokuje način vođenja za kretanje prema fotonskom kristalu i poboljšava spajanje s optičkim poljem.
Jedan nedostatak upotrebe SiO2 je taj što smanjuje kontrast indeksa prelamanja između fotonskog kristala i GaN, što otežava kontrolu svjetlosnih valova u ravni fotonskog kristala. Da bi to kompenzirali, istraživači su povećali prečnik otvora rešetke i koristili strukturu sa dvostrukom rešetkom, gdje se jedinična ćelija sastoji od dvije rešetkaste rupe pomaknute za 0.4a u smjeru x i y. To je učinjeno, rekli su istraživači, da bi se "dobilo dovoljno zatvaranja i spajanja u ravnini čak i ako je kontrast indeksa prelamanja između p-GaN i SiO2 koji ispunjava fotonski kristal nizak."
Proces formiranja fotonskog kristala uključuje nanošenje prozirnog vodiča od indijum-kalaj oksida (ITO) na epitaksijalni materijal nitrida III grupe, zatim bušenje rešetkastih rupa fotonskog kristala sa induktivno spregnutom plazmom reaktivnim ionskim jetkanjem (ICP-RIE), a zatim njihovo punjenje sa SiO2 koristeći plazma hemijsko taloženje pare (CVD). ITO materijal je uklonjen iz strukture, ostavljajući kružnu središnju regiju prečnika 300-µm kao p-elektrodu i p-GaN kristal kao p-elektrodu. kružno središnje područje koje služi kao vod između p-elektrode i p-GaN.
Istraživači izvještavaju da centar stubova ispunjenih SiO2- u fotonskom kristalu sadrži malu zračnu rupu, prema snimku skeniranom elektronskom mikroskopom. Tim je prokomentarisao: "Oblik zračne rupe je ujednačen unutar ravni fotonskog kristala, i stoga se vjeruje da prisustvo zračne rupe ne utiče značajno na performanse PCSEL-a."
Prije dovršetka procesa proizvodnje uređaja, sloj n-GaN treba da se nagriza na stolu, a zatim se nanese SiO2 da pokrije sto (osim centralnog ITO područja); p-elektrode i n-elektrode se nanose na gornju i donju površinu; a antirefleksni (AR) premaz se nanosi na donju kružnu površinu laserskog izlaza. Uređaji su zatim izrezani i postavljeni na podnožje radi mjerenja performansi.
Uređaj sa konstantom fotonske kristalne rešetke od 210 nm postigao je maksimalnu izlaznu snagu od oko 50 mW pri injekcionoj struji od 5 A generirajući 500 ns impulsa sa frekvencijom ponavljanja od 1 kHz. Njegova efikasnost elektro-optičke konverzije (WPE) bila je 0,1%. Prag laserskog rada postignut je pri gustoći struje od 3,89 kA/cm2. Efikasnost nagiba bila je 0,02 W/A. Izlazni laser je bio linearno polarizovan sa omjerom polarizacije od 0,8. Ugao divergencije kružnog uzorka dalekog polja (FFP) bio je 0,2 stepena. Talasna dužina lasera bila je 505,7 nm.
Talasna dužina lasera može se donekle podesiti kada parametar fotonske kristalne rešetke a varira između 210 nm i 217 nm (slika 2). Maksimalna talasna dužina emisije uređaja od 217 nm je 520,5 nm. pik pojačanja aktivnog sloja je oko 505 nm, tako da je teže proizvesti lasersko svjetlo na dužim valnim dužinama, što dovodi do povećanja praga s povećanjem konstante fotonske kristalne rešetke.
Istraživači također izvještavaju da neki uređaji s visokim konstantama fotonske kristalne rešetke emituju ravnopojasnu lasersku energiju s linearnim obrascima dalekog polja. Tim pripisuje takvo ravnopojasno laserstvo fluktuacijama u strukturi fotonskog kristala i relativno niskom koeficijentu spajanja fotonskog kristala.
Istraživači su komentarisali: "Efikasnost elektrooptičke konverzije može se poboljšati optimizacijom sloja fotonskog kristala i epitaksijalnog kristalnog sloja. Za fotonske kristale, očekuje se jače spajanje u ravnini i vertikalno zračenje optimizacijom geometrije. Epitaksijalni kristalni sloj bi trebao biti dizajniran da maksimizira snagu osnovnih vodećih modova u području fotonskog kristala, uzimajući u obzir i neluminiscentni gubitak ubrizganih nosača."
Hitna potreba za buduća istraživanja je realizacija rada na kontinuiranom talasu.
