Nichia Corporation y la Universidad de Kyoto en Japón informan sobre la ampliación de las capacidades de los láseres emisores de superficie de cristal fotónico (PCSEL) a la banda verde del espectro visible [Natsuo Taguchi et al, Appl. Física. Expreso, v17, p012002, 2024].
Los investigadores describen el desarrollo de PCSEL verdes como "primitivo" en comparación con los PCSEL azules o diodos láser verdes que emiten bordes y diodos láser de cavidad vertical que emiten superficie. Sin embargo, el equipo espera que estos dispositivos resulten atractivos para aplicaciones como procesamiento de materiales, iluminación de alto brillo y pantallas.
Los cristales fotónicos (PC) utilizan una estructura reticular bidimensional de materiales con diferentes índices de refracción para controlar el comportamiento óptico. Los investigadores tienen una expectativa particular de que los PCSEL utilicen este control para facilitar el logro de un comportamiento monomodo con potencias de salida más altas, mejorando así la calidad del haz.
Los investigadores comentaron: "Al explotar las singularidades (por ejemplo, Γ) de los cristales fotónicos, PCSEL logra oscilaciones monomodo verticales y laterales, así como haces de radiación de baja divergencia con ángulos inferiores a 0.2 grados". PCSEL también distribuye la potencia óptica sobre un volumen de resonador mayor, evitando así daños ópticos catastróficos (DQO) causados por una densidad óptica intensa.
Se formaron cristales fotónicos en la capa de contacto de p-GaN del material epitaxial PCSEL utilizando un material de relleno de dióxido de silicio (SiO2) en lugar de aire, que era más común en estudios anteriores (Fig. 1). Hacer crecer la capa activa y luego crear el cristal fotónico permite ajustar la constante de red (a) del cristal fotónico de acuerdo con la longitud de onda de ganancia medida de la capa activa de la estructura epitaxial.
Figura 1: Estructura de PCSEL basado en GaN con longitud de onda verde: (a) Sección transversal del chip cortado; (b) (arriba) Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) del cristal fotónico en la superficie de p-GaN después de retirar los electrodos de ITO; (abajo) Esquema de diseño de cristal fotónico de doble red.
Llenar la red con SiO2 evita que la corriente de fuga pase a través de las partículas conductoras en las paredes laterales de los orificios de la red, lo que lleva a un control de corriente más estable y a una reducción de las corrientes de fuga parásitas. SiO2 también mejora el índice de refracción efectivo de la capa de cristal fotónico, lo que provoca la modo de guía para moverse hacia el cristal fotónico y mejora el acoplamiento al campo óptico.
Un inconveniente de utilizar SiO2 es que reduce el contraste del índice de refracción entre el cristal fotónico y GaN, lo que dificulta el control de las ondas de luz en el plano del cristal fotónico. Para compensar esto, los investigadores aumentaron el diámetro de los orificios de la red y utilizaron una estructura de red dual, donde una celda unitaria consta de dos agujeros de red desplazados por 0.4a en las direcciones x e y. Esto se hizo, dijeron los investigadores, para "obtener suficiente confinamiento y acoplamiento en el plano incluso si el contraste del índice de refracción entre el p-GaN y el SiO2 que llena el cristal fotónico es bajo".
El proceso de formación de cristales fotónicos implica depositar un conductor transparente de óxido de indio y estaño (ITO) sobre un material epitaxial de nitruro del grupo III, luego perforar los orificios de la red del cristal fotónico con grabado de iones reactivos de plasma acoplados inductivamente (ICP-RIE) y luego llenarlos. con SiO2 mediante deposición química de vapor de plasma (CVD). el material ITO se ha eliminado de la estructura, dejando una región central circular de 300- µm de diámetro como electrodo p y el cristal de p-GaN como electrodo p. región central circular que sirve como conducto entre el electrodo p y p-GaN.
Los investigadores informan que el centro de los pilares llenos de SiO2-en el cristal fotónico contiene un pequeño orificio para el aire, según imágenes de microscopía electrónica de barrido. El equipo comentó: "La forma del orificio de aire es uniforme dentro del plano del cristal fotónico y, por lo tanto, se cree que la presencia del orificio de aire no afecta significativamente el rendimiento del PCSEL".
Antes de completar el proceso de fabricación del dispositivo, es necesario grabar en la mesa la capa de n-GaN y luego se deposita SiO2 para cubrir la mesa (excepto el área central de ITO); Los electrodos p y los electrodos n se depositan en las superficies superior e inferior, respectivamente; y se aplica un revestimiento antirreflectante (AR) al área de salida del láser circular inferior. Luego, los dispositivos se cortaron y se voltearon sobre un submontaje para realizar mediciones de rendimiento.
El dispositivo con una constante de red cristalina fotónica de 210 nm alcanzó una potencia de salida máxima de aproximadamente 50 mW con una corriente de inyección de 5 A generando 500 ns. pulsos a una frecuencia de repetición de 1 kHz. Su eficiencia de conversión electroóptica (WPE) fue del 0,1%. El umbral de emisión láser se alcanzó con una densidad de corriente de 3,89 kA/cm2. La eficiencia de la pendiente fue de 0,02 W/A. El láser de salida estaba polarizado linealmente con una relación de polarización de 0,8. El ángulo de divergencia del patrón circular de campo lejano (FFP) fue de 0,2 grados. La longitud de onda del láser fue de 505,7 nm.
La longitud de onda del láser se puede ajustar hasta cierto punto cuando el parámetro a de la red cristalina fotónica varía entre 210 nm y 217 nm (Fig. 2). La longitud de onda de emisión máxima del dispositivo de 217 nm es 520,5 nm. El pico de ganancia de la capa activa es de aproximadamente 505 nm, por lo que es más difícil producir luz láser en longitudes de onda más largas, lo que lleva a un aumento en el umbral con el aumento de la constante de la red cristalina fotónica.
Los investigadores también informan que algunos dispositivos con altas constantes de red cristalina fotónica emiten láser de banda plana con patrones lineales de campo lejano. El equipo atribuye este tipo de láser de banda plana a fluctuaciones en la estructura del cristal fotónico y al coeficiente de acoplamiento relativamente bajo del cristal fotónico.
Los investigadores comentaron: "La eficiencia de la conversión electroóptica se puede mejorar optimizando la capa de cristal fotónico y la capa de cristal epitaxial. Para los cristales fotónicos, se espera un acoplamiento en el plano más fuerte y una radiación vertical optimizando la geometría. La capa de cristal epitaxial debería estar diseñado para maximizar la fuerza de los modos de guía fundamentales en la región del cristal fotónico, teniendo en cuenta al mismo tiempo la pérdida no luminiscente de los portadores inyectados".
Una necesidad apremiante para futuras investigaciones es la realización del funcionamiento de onda continua.
