A Nichia Corporation e a Universidade de Kyoto, no Japão, relatam a extensão das capacidades dos lasers emissores de superfície de cristal fotônico (PCSELs) para a banda verde do espectro visível [Natsuo Taguchi et al, Appl. Física. Expresso, v17, p012002, 2024].
Os pesquisadores descrevem o desenvolvimento de PCSELs verdes como "primitivo" em comparação com PCSELs azuis ou diodos laser emissores de borda verde e diodos laser emissores de superfície de cavidade vertical. No entanto, a equipe espera que esses dispositivos sejam atraentes para aplicações como processamento de materiais, iluminação de alto brilho e displays.
Os cristais fotônicos (PCs) usam uma estrutura de rede bidimensional de materiais com diferentes índices de refração para controlar o comportamento óptico. Os pesquisadores têm uma expectativa particular de que os PCSELs usem esse controle para facilitar a obtenção de um comportamento de modo único em potências de saída mais altas, melhorando assim a qualidade do feixe.
Os pesquisadores comentaram: "Ao explorar as singularidades (por exemplo, Γ) dos cristais fotônicos, o PCSEL atinge oscilações monomodo verticais e laterais, bem como feixes de radiação de baixa divergência com ângulos menores que 0,2 graus." O PCSEL também distribui a potência óptica por um volume maior do ressonador, evitando assim danos ópticos catastróficos (COD) causados pela intensa densidade óptica.
Cristais fotônicos foram formados na camada de contato p-GaN do material epitaxial PCSEL usando um material de enchimento de dióxido de silício (SiO2) em vez de ar, o que era mais comum em estudos anteriores (Fig. 1). O crescimento da camada ativa e a criação do cristal fotônico permitem que a constante de rede (a) do cristal fotônico seja ajustada de acordo com o comprimento de onda de ganho medido da camada ativa da estrutura epitaxial.
Figura 1: Estrutura do PCSEL baseado em GaN com comprimento de onda verde: (a) Seção transversal do chip cortado; (b) (topo) Imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) do cristal fotônico na superfície p-GaN após a remoção dos eletrodos ITO; (inferior) Esquema de design de cristal fotônico de rede dupla.
Preencher a rede com SiO2 evita que a corrente de fuga passe pelas partículas condutoras nas paredes laterais dos orifícios da rede, levando a um controle de corrente mais estável e a correntes de fuga parasitas reduzidas. O SiO2 também melhora o índice de refração efetivo da camada de cristal fotônico, o que causa o modo de orientação para se mover em direção ao cristal fotônico e melhora o acoplamento ao campo óptico.
Uma desvantagem do uso de SiO2 é que ele reduz o contraste do índice de refração entre o cristal fotônico e o GaN, tornando mais difícil o controle das ondas de luz no plano do cristal fotônico. Para compensar isso, os pesquisadores aumentaram o diâmetro dos buracos da rede e usaram uma estrutura de rede dupla, onde uma célula unitária consiste em dois buracos da rede deslocados por 0,4a nas direções x e y. Isso foi feito, disseram os pesquisadores, para "obter confinamento e acoplamento suficientes no plano, mesmo que o contraste do índice de refração entre o p-GaN e o SiO2 que preenchem o cristal fotônico seja baixo".
O processo de formação de cristal fotônico envolve a deposição de um condutor transparente de óxido de índio e estanho (ITO) em um material epitaxial de nitreto do grupo III, em seguida, perfurar os orifícios da rede do cristal fotônico com gravação de íon reativo de plasma indutivamente acoplado (ICP-RIE) e, em seguida, preenchê-los com SiO2 usando deposição química de vapor por plasma (CVD). o material ITO foi removido da estrutura, deixando uma região central circular de 300- µm de diâmetro como o eletrodo p e o cristal p-GaN como o eletrodo p. região central circular servindo como um canal entre o eletrodo p e o p-GaN.
Os pesquisadores relatam que o centro dos pilares cheios de SiO2-no cristal fotônico contém um pequeno buraco de ar, de acordo com imagens de microscopia eletrônica de varredura. A equipe comentou: “O formato do orifício de ar é uniforme dentro do plano do cristal fotônico e, portanto, acredita-se que a presença do orifício de ar não afeta significativamente o desempenho do PCSEL”.
Antes de concluir o processo de fabricação do dispositivo, a camada de n-GaN precisa ser gravada na mesa e então o SiO2 é depositado para cobrir a mesa (exceto a área central do ITO); eletrodos p e eletrodos n são depositados nas superfícies superior e inferior, respectivamente; e um revestimento anti-reflexo (AR) é aplicado na área circular inferior de saída do laser. Os dispositivos foram então cortados e colocados em uma submontagem para medições de desempenho.
O dispositivo com uma constante de rede de cristal fotônico de 210 nm alcançou uma potência máxima de saída de cerca de 50 mW a uma corrente de injeção de 5 A gerando 500 ns pulsos com uma frequência de repetição de 1 kHz. Sua eficiência de conversão eletro-óptica (WPE) foi de 0,1%. O limite de laser foi atingido a uma densidade de corrente de 3,89 kA/cm2. A eficiência de inclinação foi de 0,02 W/A. O laser de saída foi polarizado linearmente com uma razão de polarização de 0,8. O ângulo de divergência do padrão circular de campo distante (FFP) foi de 0,2 graus. O comprimento de onda do laser foi de 505,7 nm.
O comprimento de onda do laser pode ser ajustado até certo ponto quando o parâmetro a da rede cristalina fotônica varia entre 210 nm e 217 nm (Fig. 2). O comprimento de onda máximo de emissão do dispositivo de 217 nm é 520,5 nm. o pico de ganho da camada ativa é de cerca de 505 nm, por isso é mais difícil produzir luz laser em comprimentos de onda mais longos, levando a um aumento no limiar com o aumento da constante da rede cristalina fotônica.
Os pesquisadores também relatam que alguns dispositivos com altas constantes de rede cristalina fotônica emitem laser de banda plana com padrões lineares de campo distante. A equipe atribui esse laser de banda plana às flutuações na estrutura do cristal fotônico e ao coeficiente de acoplamento relativamente baixo do cristal fotônico.
Os pesquisadores comentaram: "A eficiência de conversão eletro-óptica pode ser melhorada otimizando a camada de cristal fotônico e a camada de cristal epitaxial. Para cristais fotônicos, espera-se um acoplamento no plano mais forte e radiação vertical através da otimização da geometria. A camada de cristal epitaxial deve ser projetado para maximizar a força dos modos de orientação fundamentais na região do cristal fotônico, ao mesmo tempo em que leva em conta a perda não luminescente dos portadores injetados."
Uma necessidade urgente para pesquisas futuras é a realização da operação em ondas contínuas.
