Корпорација Ницхиа и Универзитет Кјото у Јапану извештавају о проширењу могућности ласера који емитују површину фотонских кристала (ПЦСЕЛ) на зелену траку видљивог спектра [Натсуо Тагуцхи ет ал, Аппл. Пхис. Екпресс, в17, п012002, 2024].
Истраживачи описују развој зелених ПЦСЕЛ-а као „примитиван” у поређењу са плавим ПЦСЕЛ-овима или ласерским диодама које емитују зелене ивице и ласерским диодама које емитују вертикалну шупљину. Међутим, тим се нада да ће ови уређаји бити привлачни за апликације као што су обрада материјала, осветљење велике светлости и екрани.
Фотонски кристали (ПЦ) користе дводимензионалну решеткасту структуру материјала са различитим индексима преламања за контролу оптичког понашања. Истраживачи посебно очекују од ПЦСЕЛ-а да користе ову контролу како би олакшали постизање једномодног понашања при већим излазним снагама, чиме би се побољшао квалитет зрака.
Истраживачи су коментарисали: „Искоришћавањем сингуларитета (нпр. Γ) фотонских кристала, ПЦСЕЛ постиже вертикалне и бочне једномодне осцилације, као и снопове зрачења ниске дивергенције са угловима мањим од 0.2 степена.“ ПЦСЕЛ такође шири оптичку снагу на већу запремину резонатора, чиме се избегавају катастрофална оптичка оштећења (ЦОД) узрокована интензивном оптичком густином.
Фотонски кристали су формирани у п-ГаН контактном слоју епитаксијалног материјала ПЦСЕЛ користећи материјал за пуњење од силицијум диоксида (СиО2) уместо ваздуха, што је било чешће у претходним студијама (слика 1). Узгајање активног слоја, а затим стварање фотонског кристала омогућава да се константа решетке (а) фотонског кристала подеси према измереној таласној дужини појачања активног слоја епитаксијалне структуре.
Слика 1: Структура ПЦСЕЛ-а на бази ГаН са зеленом таласном дужином: (а) Попречни пресек исеченог чипа; (б) (горе) Слика фотонског кристала на површини п-ГаН скенирајућим електронским микроскопом (СЕМ) након уклањања ИТО електрода; (доле) Шема дизајна фотонских кристала са двоструком решетком.
Пуњење решетке са СиО2 спречава да струја цурења прође кроз проводне честице на бочним зидовима рупа решетке, што доводи до стабилније контроле струје и смањених паразитских струја цурења. СиО2 такође побољшава ефективни индекс преламања слоја фотонског кристала, што узрокује режим вођења за кретање према фотонском кристалу и побољшава спрегу са оптичким пољем.
Један недостатак употребе СиО2 је тај што смањује контраст индекса преламања између фотонског кристала и ГаН, што отежава контролу светлосних таласа у равни фотонског кристала. Да би то компензовали, истраживачи су повећали пречник отвора решетке и користили структуру са двоструком решетком, где се јединична ћелија састоји од две решеткасте рупе померене за 0.4а у к и и правцима. Ово је урађено, рекли су истраживачи, да би се „добило довољно затварања и спајања у равни чак и ако је контраст индекса преламања између п-ГаН и СиО2 који испуњава фотонски кристал низак“.
Процес формирања фотонског кристала укључује наношење прозирног проводника од индијум-калај оксида (ИТО) на епитаксијални материјал нитрида ИИИ групе, затим бушење решеткастих рупа фотонског кристала са индуктивно спрегнутом плазмом реактивним јонским јеткањем (ИЦП-РИЕ), а затим њихово пуњење са СиО2 коришћењем плазма хемијског таложења паре (ЦВД). ИТО материјал је уклоњен из структуре, остављајући кружни средишњи регион пречника 300- µм као п-електроду и п-ГаН кристал као п-електроду. кружни средишњи регион који служи као провод између п-електроде и п-ГаН.
Истраживачи наводе да центар стубова испуњених СиО{0}}у фотонском кристалу садржи малу ваздушну рупу, према снимку скенираном електронском микроскопом. Тим је прокоментарисао: "Облик ваздушне рупе је уједначен унутар равни фотонског кристала, и стога се верује да присуство ваздушне рупе не утиче значајно на перформансе ПЦСЕЛ-а."
Пре него што се заврши процес производње уређаја, слој н-ГаН треба да буде урезан у столу, а затим се нанесе СиО2 да покрије сто (осим централне ИТО области); п-електроде и н-електроде се наносе на горњу и доњу површину, респективно; а антирефлексни (АР) премаз се наноси на доњу кружну површину ласерског излаза. Уређаји су затим исечени и преокренути на подножје ради мерења перформанси.
Уређај са константом фотонске кристалне решетке од 210 нм постигао је максималну излазну снагу од око 50 мВ при ињекционој струји од 5 А генеришући 500 нс импулса са фреквенцијом понављања од 1 кХз. Његова ефикасност електро-оптичке конверзије (ВПЕ) била је 0,1%. Праг ласерског рада је достигнут при густини струје од 3,89 кА/цм2. Ефикасност нагиба била је 0,02 В/А. Излазни ласер је линеарно поларизован са односом поларизације од 0,8. Угао дивергенције кружног узорка далеког поља (ФФП) био је 0,2 степена. Таласна дужина ласера била је 505,7 нм.
Таласна дужина ласера се може донекле подесити када параметар фотонске кристалне решетке а варира између 210 нм и 217 нм (слика 2). Максимална таласна дужина емисије уређаја од 217 нм је 520,5 нм. пик појачања активног слоја је око 505 нм, тако да је теже произвести ласерско светло на дужим таласним дужинама, што доводи до повећања прага са повећањем константе фотонске кристалне решетке.
Истраживачи такође извјештавају да неки уређаји са високим константама фотонске кристалне решетке емитују равнопојасно ласерство са линеарним обрасцима далеког поља. Тим приписује такво ласерско зрачење у равним опсегу флуктуацијама у структури фотонског кристала и релативно ниском коефицијенту спајања фотонског кристала.
Истраживачи су коментарисали: "Ефикасност електрооптичке конверзије може се побољшати оптимизацијом слоја фотонског кристала и епитаксијалног кристалног слоја. За фотонске кристале, очекује се јаче спајање у равни и вертикално зрачење оптимизацијом геометрије. Епитаксијални кристални слој би требало да бити дизајниран да максимизира снагу основних водећих модова у региону фотонског кристала, узимајући у обзир и нелуминисцентни губитак убризганих носача."
Хитна потреба за будућа истраживања је реализација рада на континуираним таласима.
