Nichia Corporation e l'Università di Kyoto in Giappone riferiscono di estendere le capacità dei laser a emissione superficiale di cristalli fotonici (PCSEL) alla banda verde dello spettro visibile [Natsuo Taguchi et al, Appl. Fis. Espresso, v17, p012002, 2024].
I ricercatori descrivono lo sviluppo dei PCSEL verdi come "primitivi" rispetto ai PCSEL blu o ai diodi laser a emissione di bordi verdi e ai diodi laser a emissione superficiale a cavità verticale. Tuttavia, il team spera che questi dispositivi siano interessanti per applicazioni quali la lavorazione dei materiali, l'illuminazione ad alta luminosità e i display.
I cristalli fotonici (PC) utilizzano una struttura reticolare bidimensionale di materiali con diversi indici di rifrazione per controllare il comportamento ottico. I ricercatori nutrono una particolare aspettativa che i PCSEL utilizzino questo controllo per facilitare il raggiungimento del comportamento monomodale a potenze di uscita più elevate, migliorando così la qualità del fascio.
I ricercatori hanno commentato: "Sfruttando le singolarità (ad esempio, Γ) dei cristalli fotonici, PCSEL ottiene oscillazioni monomodali verticali e laterali nonché fasci di radiazioni a bassa divergenza con angoli inferiori a 0,2 gradi." PCSEL distribuisce inoltre la potenza ottica su un volume di risonatore più ampio, evitando così danni ottici catastrofici (COD) causati dall'intensa densità ottica.
I cristalli fotonici si sono formati nello strato di contatto p-GaN del materiale epitassiale PCSEL utilizzando un materiale riempitivo di biossido di silicio (SiO2) anziché aria, che era più comune negli studi precedenti (Fig. 1). La crescita dello strato attivo e quindi la creazione del cristallo fotonico consente di regolare la costante reticolare (a) del cristallo fotonico in base alla lunghezza d'onda del guadagno misurata dello strato attivo della struttura epitassiale.
Figura 1: Struttura del PCSEL basato su GaN con lunghezza d'onda verde: (a) Sezione trasversale del chip tagliato; (b) (in alto) Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) del cristallo fotonico sulla superficie p-GaN dopo la rimozione degli elettrodi ITO; (in basso) Schema di progettazione del cristallo fotonico a doppio reticolo.
Il riempimento del reticolo con SiO2 impedisce alla corrente di dispersione di passare attraverso le particelle conduttrici sulle pareti laterali dei fori del reticolo, portando a un controllo della corrente più stabile e a correnti di dispersione parassite ridotte. SiO2 migliora anche l'effettivo indice di rifrazione dello strato di cristallo fotonico, che causa la modalità di guida per spostarsi verso il cristallo fotonico e migliora l'accoppiamento con il campo ottico.
Uno svantaggio dell'utilizzo di SiO2 è che riduce il contrasto dell'indice di rifrazione tra il cristallo fotonico e il GaN, rendendo più difficile il controllo delle onde luminose nel piano del cristallo fotonico. Per compensare ciò, i ricercatori hanno aumentato il diametro dei fori del reticolo e hanno utilizzato una struttura a doppio reticolo, in cui una cella unitaria è costituita da due fori del reticolo sfalsati di 0.4a nelle direzioni xey. Ciò è stato fatto, hanno detto i ricercatori, per "ottenere un confinamento e un accoppiamento nel piano sufficienti anche se il contrasto dell'indice di rifrazione tra p-GaN e SiO2 che riempiono il cristallo fotonico è basso".
Il processo di formazione dei cristalli fotonici prevede il deposito di un conduttore trasparente di ossido di indio-stagno (ITO) su un materiale epitassiale di nitruro del gruppo III, quindi la perforazione dei fori del reticolo del cristallo fotonico con attacco ionico reattivo al plasma accoppiato induttivamente (ICP-RIE) e quindi il loro riempimento con SiO2 utilizzando la deposizione chimica da vapore al plasma (CVD). il materiale ITO è stato rimosso dalla struttura, lasciando una regione centrale circolare di 300-μm di diametro come elettrodo p e il cristallo p-GaN come elettrodo p. regione centrale circolare che funge da condotto tra l'elettrodo p e p-GaN.
I ricercatori riferiscono che il centro dei pilastri pieni di SiO2- nel cristallo fotonico contiene un piccolo foro per l'aria, secondo l'imaging al microscopio elettronico a scansione. Il team ha commentato: "La forma del foro per l'aria è uniforme all'interno del piano del cristallo fotonico, e quindi si ritiene che la presenza del foro per l'aria non influisca in modo significativo sulle prestazioni del PCSEL".
Prima di completare il processo di fabbricazione del dispositivo, lo strato n-GaN deve essere inciso sulla tavola e quindi SiO2 viene depositato per coprire la tavola (ad eccezione dell'area centrale ITO); Gli elettrodi p e gli elettrodi n sono depositati rispettivamente sulle superfici superiore e inferiore; e un rivestimento antiriflesso (AR) viene applicato all'area circolare inferiore di uscita del laser. I dispositivi sono stati quindi tagliati e capovolti su un supporto secondario per le misurazioni delle prestazioni.
Il dispositivo con una costante del reticolo cristallino fotonico di 210 nm ha raggiunto una potenza di uscita massima di circa 50 mW con una corrente di iniezione di 5 A generando 500 ns impulsi con una frequenza di ripetizione di 1 kHz. La sua efficienza di conversione elettro-ottica (WPE) era dello 0,1%. La soglia laser è stata raggiunta con una densità di corrente di 3,89 kA/cm2. L'efficienza della pendenza era di 0,02 W/A. Il laser in uscita era polarizzato linearmente con un rapporto di polarizzazione di 0,8. L'angolo di divergenza del modello circolare di campo lontano (FFP) era di 0,2 gradi. La lunghezza d'onda del laser era 505,7 nm.
La lunghezza d'onda del laser può essere regolata in una certa misura quando il parametro del reticolo cristallino fotonico a viene variato tra 210 nm e 217 nm (Fig. 2). La lunghezza d'onda massima di emissione del dispositivo da 217 nm è 520,5 nm. il picco di guadagno dello strato attivo è di circa 505 nm, quindi è più difficile produrre luce laser a lunghezze d'onda maggiori, portando ad un aumento della soglia con l'aumento della costante del reticolo cristallino fotonico.
I ricercatori riferiscono anche che alcuni dispositivi con elevate costanti del reticolo cristallino fotonico emettono laser a banda piatta con schemi lineari di campo lontano. Il team attribuisce tale effetto laser a banda piatta alle fluttuazioni nella struttura del cristallo fotonico e al coefficiente di accoppiamento relativamente basso del cristallo fotonico.
I ricercatori hanno commentato: "L'efficienza della conversione elettro-ottica può essere migliorata ottimizzando lo strato di cristallo fotonico e lo strato di cristallo epitassiale. Per i cristalli fotonici, ci si aspetta un accoppiamento nel piano e una radiazione verticale più forti ottimizzando la geometria. Lo strato di cristallo epitassiale dovrebbe essere progettato per massimizzare la forza delle modalità di guida fondamentali nella regione del cristallo fotonico, tenendo conto anche della perdita non luminescente dei portatori iniettati."
Una necessità urgente per la ricerca futura è la realizzazione del funzionamento a onda continua.
