Nichia Corporation i la Universitat de Kyoto al Japó informen que estenen les capacitats dels làsers d'emissió de superfície de cristalls fotònics (PCSEL) a la banda verda de l'espectre visible [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Els investigadors descriuen el desenvolupament de PCSEL verds com a "primitius" en comparació amb els PCSEL blaus o els díodes làser d'emissió de vores verds i els díodes làser d'emissió de superfície de cavitat vertical. Tanmateix, l'equip espera que aquests dispositius siguin atractius per a aplicacions com el processament de materials, il·luminació d'alta brillantor i pantalles.
Els cristalls fotònics (PC) utilitzen una estructura de gelosia bidimensional de materials amb diferents índexs de refracció per controlar el comportament òptic. Els investigadors tenen una expectativa particular que els PCSEL utilitzin aquest control per facilitar l'assoliment d'un comportament en mode únic a potències de sortida més altes, millorant així la qualitat del feix.
Els investigadors van comentar: "En explotar les singularitats (per exemple, Γ) dels cristalls fotònics, PCSEL aconsegueix oscil·lacions verticals i laterals d'un sol mode, així com feixos de radiació de baixa divergència amb angles inferiors a 0.2 graus". PCSEL també distribueix la potència òptica sobre un volum de ressonador més gran, evitant així un dany òptic catastròfic (COD) causat per una intensa densitat òptica.
Els cristalls fotònics es van formar a la capa de contacte p-GaN del material epitaxial PCSEL mitjançant un material de farciment de diòxid de silici (SiO2) en lloc d'aire, que era més comú en estudis anteriors (Fig. 1). Fer créixer la capa activa i crear després el cristall fotònic permet ajustar la constant de gelosia (a) del cristall fotònic segons la longitud d'ona de guany mesurada de la capa activa de l'estructura epitaxial.
Figura 1: Estructura de PCSEL basat en GaN amb longitud d'ona verda: (a) Secció transversal del xip tallat; (b) (superior) Imatge del microscopi electrònic d'escaneig (SEM) del cristall fotònic a la superfície p-GaN després de l'eliminació dels elèctrodes ITO; (a baix) Esquema de disseny de cristall fotònic de doble retícula.
Omplir la gelosia amb SiO2 impedeix que el corrent de fuga passi a través de les partícules conductores de les parets laterals dels forats de la gelosia, donant lloc a un control de corrent més estable i corrents de fuga paràsits reduïts. SiO2 també millora l'índex de refracció efectiu de la capa de cristall fotònic, que provoca el manera de guia per moure's cap al cristall fotònic i millora l'acoblament al camp òptic.
Un inconvenient de l'ús de SiO2 és que redueix el contrast de l'índex de refracció entre el cristall fotònic i GaN, cosa que fa que sigui més difícil controlar les ones de llum en el pla de cristall fotònic. Per compensar-ho, els investigadors van augmentar el diàmetre dels forats de gelosia i van utilitzar una estructura de gelosia dual, on una cel·la unitat consta de dos forats de gelosia compensats per 0.4a en les direccions x i y. Això es va fer, van dir els investigadors, per "obtenir un confinament i un acoblament suficients en el pla, fins i tot si el contrast de l'índex de refracció entre el p-GaN i el SiO2 que omplen el cristall fotònic és baix".
El procés de formació de cristalls fotònics consisteix a dipositar un conductor transparent d'òxid d'estany d'indi (ITO) en un material epitaxial de nitrur del grup III, després perforar els forats de gelosia del cristall fotònic amb gravat d'ions reactius de plasma acoblat inductivament (ICP-RIE) i després omplir-los. amb SiO2 mitjançant deposició de vapor químic de plasma (CVD). el material ITO s'ha eliminat de l'estructura, deixant una regió central circular de 300-µm de diàmetre com a elèctrode p i el cristall p-GaN com a elèctrode p. regió central circular que serveix de conducte entre l'elèctrode p i el p-GaN.
Els investigadors informen que el centre dels pilars plens de SiO2-del cristall fotònic conté un petit forat d'aire, segons la imatge de microscòpia electrònica d'escaneig. L'equip va comentar: "La forma del forat d'aire és uniforme dins del pla de cristall fotònic i, per tant, es creu que la presència del forat d'aire no afecta significativament el rendiment del PCSEL".
Abans de completar el procés de fabricació del dispositiu, la capa n-GaN s'ha de gravar a taula i després es diposita SiO2 per cobrir la taula (excepte l'àrea central d'ITO); Els p-elèctrodes i n-elèctrodes es dipositen a les superfícies superior i inferior, respectivament; i s'aplica un recobriment antireflectant (AR) a la zona de sortida del làser circular inferior. A continuació, es van tallar els dispositius i es van col·locar a un submuntatge per mesurar el rendiment.
El dispositiu amb una constant de xarxa cristal·lina fotònica de 210 nm va aconseguir una potència de sortida màxima d'uns 50 mW amb un corrent d'injecció de 5 A generant 500 ns polsos a una freqüència de repetició d'1 kHz. La seva eficiència de conversió electro-òptica (WPE) va ser del 0,1%. El llindar de làser es va assolir a una densitat de corrent de 3,89 kA/cm2. L'eficiència del pendent va ser de 0,02 W/A. El làser de sortida es va polaritzar linealment amb una relació de polarització de 0,8. L'angle de divergència del patró circular de camp llunyà (FFP) era de 0,2 graus. La longitud d'ona del làser era de 505,7 nm.
La longitud d'ona del làser es pot ajustar fins a cert punt quan el paràmetre de la xarxa de cristall fotònic a varia entre 210 nm i 217 nm (Fig. 2). La longitud d'ona màxima d'emissió del dispositiu de 217 nm és de 520,5 nm. el pic de guany de la capa activa és d'uns 505 nm, de manera que és més difícil produir llum làser a longituds d'ona més llargues, donant lloc a un augment del llindar amb l'augment de la constant de la xarxa cristal·lina fotònica.
Els investigadors també informen que alguns dispositius amb altes constants de gelosia cristal·lina fotònica emeten làser de banda plana amb patrons lineals de camp llunyà. L'equip atribueix aquest làser de banda plana a les fluctuacions de l'estructura del cristall fotònic i al coeficient d'acoblament relativament baix del cristall fotònic.
Els investigadors van comentar: "L'eficiència de conversió electro-òptica es pot millorar optimitzant la capa de cristall fotònic i la capa de cristall epitaxial. Per als cristalls fotònics, s'espera un acoblament en el pla més fort i una radiació vertical optimitzant la geometria. La capa de cristall epitaxial hauria de estar dissenyat per maximitzar la força dels modes de guia fonamentals a la regió del cristall fotònic, alhora que tenint en compte la pèrdua no luminiscent dels portadors injectats".
Una necessitat urgent per a futures investigacions és la realització del funcionament d'ona contínua.
