Nichia Corporation ואוניברסיטת קיוטו ביפן מדווחות על הרחבת היכולות של לייזרים פולטי פני גביש פוטוניים (PCSELs) לפס הירוק של הספקטרום הנראה [Natsuo Taguchi et al, Appl. פיזי. Express, v17, p012002, 2024].
החוקרים מתארים את הפיתוח של PCSELs ירוקים כ"פרימיטיביים" בהשוואה ל-PCSELs כחולים או דיודות לייזר פולטות קצה ירוקות ודיודות לייזר פולטות פני השטח בחללים אנכיים. עם זאת, הצוות מקווה שהמכשירים הללו יהיו אטרקטיביים עבור יישומים כמו עיבוד חומרים, תאורה בהירות גבוהה ותצוגות.
גבישים פוטוניים (PC) משתמשים במבנה סריג דו מימדי של חומרים עם מדדי שבירה שונים כדי לשלוט בהתנהגות אופטית. לחוקרים יש ציפייה מיוחדת מ-PCSELs להשתמש בבקרה זו כדי להקל על השגת התנהגות של מצב יחיד בהספקי פלט גבוהים יותר, ובכך לשפר את איכות האלומה.
החוקרים העירו, "על ידי ניצול הייחודיות (למשל, Γ) של גבישים פוטוניים, PCSEL משיג תנודות אנכיות וצידיות במצב יחיד, כמו גם קרני קרינה בהפרש נמוך עם זוויות פחות מ-0.2 מעלות." PCSEL גם מפזר את הכוח האופטי על פני נפח תהודה גדול יותר, ובכך נמנע נזק אופטי קטסטרופלי (COD) הנגרם על ידי צפיפות אופטית אינטנסיבית.
גבישים פוטוניים נוצרו בשכבת המגע p-GaN של החומר האפיטקסיאלי PCSEL תוך שימוש בחומר מילוי של סיליקון דו חמצני (SiO2) ולא אוויר, דבר שהיה נפוץ יותר במחקרים קודמים (איור 1). גידול השכבה הפעילה ולאחר מכן יצירת הגביש הפוטוני מאפשר לכוון את קבוע הסריג (a) של הגביש הפוטוני בהתאם לאורך גל ההגבר הנמדד של השכבה הפעילה של המבנה האפיטקסיאלי.
איור 1: מבנה של PCSEL מבוסס GaN עם אורך גל ירוק: (א) חתך של השבב החתוך; (ב) (למעלה) תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM) של הגביש הפוטוני על פני השטח p-GaN לאחר הסרת האלקטרודות של ITO; (למטה) ערכת עיצוב קריסטל פוטוניים עם סריג כפול.
מילוי הסריג ב- SiO2 מונע מעבר זרם דליפה דרך החלקיקים המוליכים בדפנות חורי הסריג, מה שמוביל לבקרת זרם יציבה יותר וזרמי דליפה טפיליים מופחתים. SiO2 גם משפר את מקדם השבירה האפקטיבי של שכבת הגביש הפוטוני, מה שגורם ל- מצב מנחה לנוע לעבר הגביש הפוטוני ומשפר את הצימוד לשדה האופטי.
חסרון אחד של שימוש ב- SiO2 הוא שהוא מפחית את ניגודיות מקדם השבירה בין הגביש הפוטוני ל-GaN, מה שמקשה על השליטה בגלי האור במישור הגביש הפוטוני. כדי לפצות על כך, החוקרים הגדילו את קוטר חורי הסריג והשתמשו במבנה סריג כפול, כאשר תא יחידה מורכב משני חורי סריג המאופקים ב-0.4a בכיווני x ו-y. זה נעשה, אמרו החוקרים, כדי "להשיג מספיק כליאה וצימוד במישור גם אם ניגודיות מקדם השבירה בין p-GaN ו-SiO2 הממלאים את הגביש הפוטוני נמוך."
תהליך היווצרות הגביש הפוטוני כולל הפקדת מוליך שקוף אינדיום בדיל (ITO) על חומר אפיטקסיאלי ניטריד מקבוצה III, ולאחר מכן קידוח חורי הסריג של הגביש הפוטוני באמצעות חריטת יונים תגובתיים בפלסמה (ICP-RIE), ולאחר מכן מילוים. עם SiO2 תוך שימוש בתצהיר כימי פלזמה (CVD). חומר ה-ITO הוסר מהמבנה, והותיר אזור מרכז עגול בקוטר 300-מיקרומטר בתור ה-p-אלקטרודה ואת הגביש p-GaN בתור ה-p-אלקטרודה. אזור מרכז עגול המשמש כצינור בין ה-p-אלקטרודה ל-p-GaN.
החוקרים מדווחים שמרכז העמודים המלאים ב-SiO2-בגביש הפוטוני מכיל חור אוויר קטן, על פי הדמיית מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת. הצוות הגיב, "צורת חור האוויר אחידה בתוך מישור הגביש הפוטוני, ולכן מאמינים שנוכחות חור האוויר אינה משפיעה באופן משמעותי על הביצועים של ה-PCSEL."
לפני השלמת תהליך הייצור של המכשיר, יש לחרוט את שכבת n-GaN בשולחן ולאחר מכן מופקד SiO2 לכיסוי השולחן (למעט אזור ה-ITO המרכזי); p-אלקטרודות ו-n-אלקטרודות מופקדות על המשטח העליון והתחתון, בהתאמה; וציפוי אנטי-רפלקטיבי (AR) מוחל על אזור פלט הלייזר העגול התחתון. לאחר מכן נחתכו המכשירים והופכו על תושבת משנה למדידת ביצועים.
המכשיר עם קבוע סריג גביש פוטוני של 210 ננומטר השיג הספק מוצא מרבי של כ-50 mW בזרם הזרקה של 5 A שיצר 500 ns פולסים בתדר חזרות של 1 קילו-הרץ. יעילות ההמרה האלקטרו-אופטית (WPE) שלו הייתה 0.1%. סף הלייזר הושג בצפיפות זרם של 3.89 kA/cm2. יעילות השיפוע הייתה 0.02 W/A. לייזר הפלט היה מקוטב ליניארי עם יחס קיטוב של 0.8. זווית הדיברגנציה של תבנית השדה הרחוק המעגלי (FFP) הייתה 0.2 מעלות. אורך גל הלייזר היה 505.7 ננומטר.
ניתן לכוון את אורך הגל של הלייזר במידה מסוימת כאשר פרמטר סריג הגביש הפוטוני a משתנה בין 210 ננומטר ל-217 ננומטר (איור 2). אורך הגל המרבי של מכשיר ה-217 ננומטר הוא 520.5 ננומטר. שיא הרווח של השכבה הפעילה הוא בערך 505 ננומטר, ולכן קשה יותר להפיק אור לייזר באורכי גל ארוכים יותר, מה שמוביל לעלייה בסף עם העלייה בקבוע סריג הגביש הפוטוני.
החוקרים גם מדווחים שחלק מהמכשירים עם קבועי סריג גביש פוטוניים גבוהים פולטים לייזר פס שטוח עם דפוסי שדה רחוק ליניאריים. הצוות מייחס לייזר כזה בפס שטוח לתנודות במבנה הגביש הפוטוני ולמקדם הצימוד הנמוך יחסית של הגביש הפוטוני.
החוקרים התייחסו, "ניתן לשפר את יעילות ההמרה האלקטרו-אופטית על ידי אופטימיזציה של שכבת הגביש הפוטוני ושכבת הגביש האפיטקסיאלית. עבור גבישים פוטוניים, צפוי צימוד חזק יותר במישור וקרינה אנכית על ידי אופטימיזציה של הגיאומטריה. שכבת הגביש האפיטקסיאלית צריכה להיות מתוכנן כדי למקסם את החוזק של מצבי ההנחיה הבסיסיים באזור הגביש הפוטוני, תוך התחשבות גם באובדן הלא מאיר של נשאים המוזרקים."
צורך דחוף למחקר עתידי הוא מימוש הפעלה של גלים מתמשכים.
