日亞公司和日本京都大學(xué)報告稱，已將光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）的功能擴(kuò)展到可見光譜綠光波段 [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024]。
據(jù)研究人員描述，與藍(lán)光PCSEL或綠光邊發(fā)射激光二極管和垂直腔面發(fā)射激光二極管相比，綠光PCSEL的發(fā)展目前還處于“原始水平”。不過，研究團(tuán)隊希望這類器件能對材料加工、高亮度照明、顯示等應(yīng)用產(chǎn)生吸引力。
光子晶體（PC）使用折射率不同的材料的二維晶格結(jié)構(gòu)來控制光學(xué)行為。研究人員對PCSEL有一個特別期待，即利用這種控制，使得輸出功率更高時更易實現(xiàn)單模行為，從而提高光束質(zhì)量。
研究人員評論道：“通過利用光子晶體的奇點(diǎn)（如Γ），PCSEL實現(xiàn)了垂直和橫向單模振蕩以及角度小于0.2°的低發(fā)散輻射光束?！盤CSEL還能將光功率分散到較大諧振器體積上，從而避免強(qiáng)光密度造成的災(zāi)難性光損傷（COD）。
光子晶體是在PCSEL外延材料的p-GaN接觸層中形成的，使用的填充材料是二氧化硅（SiO2），而不是以往研究中較為常見的空氣（圖1）。生長有源層后再創(chuàng)造光子晶體，就可以根據(jù)外延結(jié)構(gòu)有源層的測得增益波長調(diào)整光子晶體的晶格常數(shù)（a）。
圖1：基于GaN的綠光波長PCSEL的結(jié)構(gòu)：（a）切割芯片的橫截面；（b）（上）去除ITO電極后，p-GaN表面光子晶體的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（下）雙晶格光子晶體設(shè)計方案。
用SiO2填充晶格可避免漏電流穿過晶格孔側(cè)壁的導(dǎo)電粒子，從而使電流控制更加穩(wěn)定，并減少寄生漏電流。SiO2還能提高光子晶體層的有效折射率，使導(dǎo)模向光子晶體移動，增強(qiáng)與光場的耦合。
使用SiO2存在一個缺點(diǎn)，即降低了光子晶體與GaN的折射率對比度，使光子晶體平面內(nèi)的光波更難控制。為了彌補(bǔ)這一缺陷，研究人員增大了晶格孔的直徑，并采用了雙晶格結(jié)構(gòu)，一個單元格由兩個在x和y方向上偏移0.4a的晶格孔組成。研究人員表示，這樣做是為了“即使填充光子晶體的p-GaN和SiO2間折射率對比度較低，也能獲得足夠的面內(nèi)約束和耦合”。
光子晶體的形成過程包括在III族氮化物外延材料上沉積氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)體，然后用電感耦合等離子體反應(yīng)離子蝕刻（ICP-RIE）鉆出光子晶體的晶格孔，再利用等離子體化學(xué)氣相沉積（CVD）填充SiO2。ITO材料已從結(jié)構(gòu)中去除，只留下一個直徑為300μm的圓形中心區(qū)域作為p-電極和p-GaN之間的導(dǎo)管。
研究人員報告稱，根據(jù)掃描電子顯微鏡成像，光子晶體中的SiO2填充柱體中心含有一個小氣孔。研究團(tuán)隊評論道：“氣孔形狀在光子晶體平面內(nèi)是均勻的，因此認(rèn)為氣孔的存在不會對PCSEL的性能產(chǎn)生重大影響。”
完成該器件的制作過程前，需要對n-GaN層進(jìn)行臺面蝕刻，再沉積SiO2覆蓋臺面（中部ITO區(qū)域除外）；在頂部和底部表面分別沉積p-電極和n-電極；并在底部圓形激光輸出區(qū)域涂上抗反射（AR）涂層。然后，器件被切割并翻轉(zhuǎn)到子支架上進(jìn)行性能測量。
在以1kHz重復(fù)頻率產(chǎn)生500ns脈沖的5A注入電流下，光子晶體晶格常數(shù)a為210nm的器件實現(xiàn)了約50mW的最大輸出功率。其電光轉(zhuǎn)換效率（WPE）為0.1%。電流密度為3.89kA/cm2時達(dá)到激光閾值。斜率效率為0.02W/A。輸出的激光為線性偏振光，偏振比為0.8。圓形遠(yuǎn)場圖案（FFP）的發(fā)散角度為0.2°。激光波長為505.7nm。
光子晶體晶格參數(shù)a在210nm和217nm之間變化時，可以對激光波長進(jìn)行一定程度的調(diào)節(jié)（圖2）。217nm器件的最大發(fā)射波長為520.5nm。有源層的增益峰值約為505nm，因此波長較長時更難產(chǎn)生激光，導(dǎo)致閾值隨光子晶體晶格常數(shù)的增大而增大。
圖2：具有不同光子晶體晶格常數(shù)的器件的激光光譜。
研究人員還報告稱，一些光子晶體晶格常數(shù)較高的器件發(fā)出帶線形遠(yuǎn)場圖案的平帶激光。研究團(tuán)隊將這類平帶激光歸因于光子晶體結(jié)構(gòu)的波動，以及光子晶體相對較低的耦合系數(shù)。
研究人員評論道：“通過優(yōu)化光子晶體層和外延晶體層，可以改善電光轉(zhuǎn)換效率。對光子晶體而言，通過優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)更強(qiáng)的面內(nèi)耦合和垂直輻射。設(shè)計外延晶體層時，應(yīng)最大限度提高光子晶體區(qū)域基礎(chǔ)導(dǎo)模的強(qiáng)度，同時還要考慮注入載流子的非發(fā)光損耗?！?/p>
未來研究的一個迫切需要是實現(xiàn)連續(xù)波運(yùn)行。
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