لیزرهای نیمه هادی معمولی ، مانند لیزرهای حفره ای Fabry-Pérot (FP) ، لیزرهای بازخورد توزیع شده (DFB) و لیزرهای ساطع کننده سطح عمودی-آب و هوا (VCSEL) ، نمی توانند به طور همزمان به عملکرد تک حالت ، خروجی قدرت بالا و یک زاویه غواص کوچک دست یابند. با این حال ، لیزرهای ساطع کننده کریستال فوتونیک (PCSEL) از پراش Bragg در کریستال های فوتونیک دو بعدی برای دستیابی به خروجی لیزر با قدرت بالا و تک حالته با زاویه واگرایی کوچک استفاده می کنند (شکل 1) ، و آنها را به یکی از موضوعات تحقیقات داغ هر دو در داخل و بین المللی تبدیل می کند.
مواد نیمه هادی مبتنی بر گالیم نیترید (GAN) دارای یک باند مستقیم هستند ، با طول موج انتشار ، طیف قابل مشاهده در عمق ماوراء بنفش قابل مشاهده است و مزایایی از قبیل راندمان درخشان بالا و پایداری شیمیایی عالی را ارائه می دهد و آنها را برای ساخت PCSEL مناسب می کند. PCSELS مبتنی بر GAN برنامه های امیدوارکننده ای را در زمینه های نوظهور مانند نمایشگرهای جدید ، پردازش مواد ، روشنایی لیزر ، ارتباطات زیر آب ، ارتباط بین ستاره ای ، ساعتهای اتمی تراشه ، اکتشافات در فضای عمیق ، رادار اتمی و لیزر انجام می دهد و توجه گسترده ای را به خود جلب می کند.
شکل 1. نمودارهای ساختاری ، زاویه های واگرایی دور از میدان معمولی و خصوصیات طیفی خروجی لیزرهای با انتشار لبه FP ، لیزرهای با انتشار لبه DFB ، VCSEL و PCSEL.
تیم پروفسور نودا در دانشگاه کیوتو در ژاپن برای اولین بار مفهوم PCSELS را در سال 1999 پیشنهاد داد و اولین لیزر شدن الکترو تزریق دمای اتاق از PCSEL های بنفش مبتنی بر GAN در Science 319 ، 445 (2008) را گزارش کرد. پس از آن ، با همکاری شرکت استنلی ژاپن در سال 2022 و شرکت نیچیا ژاپن در سال 2024 ، آنها طول موج انتشار PCSELS مبتنی بر GAN را به نوارهای آبی و سبز روشن کردند. در حال حاضر ، فقط ژاپن به انتشار ناشی از تزریق الکتریکی PCSELS مبتنی بر GAN در سطح جهان رسیده است.
با همکاری آزمایشگاه کلیدی مواد و تراشه های نمایش نیمه هادی و آزمایشگاه سوژو ، هر دو توسط انستیتوی فناوری نانوتکنولوژی سوژو و نانوسکوپ آکادمی علوم چینی تأسیس شده است ، یک لیزر سطح کریستالی فوتونی مبتنی بر GAN (PCSEL) اخیراً توسعه یافته است ، و به دست آمده است.
تیم تحقیقاتی ابتدا ساختار دستگاه PCSEL مبتنی بر GAN را شبیه سازی و طراحی کرده است ، سپس به صورت اپیتاکس مواد لیزر مبتنی بر GAN با کیفیت بالا رشد کرده و فرآیندهای اچ کریستالی فوتونیک با خسارت کم و فرآیندهای غیرفعال را برای ساخت دستگاه PCSEL مبتنی بر GAN ایجاد کرده است ، با اندازه سطح کریستال فوتونیک 4 {14} 0} 0 400 400 400 μ (شکل 2). با اندازه گیری ساختار باند PCSEL مبتنی بر GAN در جهت γ-X با استفاده از طیف سنجی حل شده با زاویه (شکل 3) ، مشاهده شد که: در جریانهای تزریق کم ، ساختار باند واضح است ، با حالت C دارای بالاترین شدت است. با افزایش جریان ، شدت حالت غیر تابشی B به طور قابل توجهی افزایش می یابد تا زمانی که لیزینگ رخ دهد. با اندازه گیری ساختار باند ، مشخص شد که دستگاه در حالت اساسی B ، با یک حالت نیمه عرض تقریباً 0.05 نانومتر در نزدیکی جریان آستانه قرار دارد.
شکل 2. (الف) نمودار شماتیک ساختار PCSEL مبتنی بر GAN ، (ب) ساختار باند کریستالی فوتونیک به دست آمده از تست های پمپاژ نوری ، و (ج) سطح و (د) تصاویر میکروسکوپ الکترونی اسکن مقطعی از کریستال فوتونیک.
شکل 3. (A-E) ساختار باند PCSEL مبتنی بر GAN در جهت γ-X اندازه گیری شده در جریان های مختلف تزریق ، (F) منحنی نشان دهنده تغییر طول موج اوج و عرض نیمه طیفی PCSEL مبتنی بر GAN با جریان تزریق.
بر اساس کار فوق ، تیم تحقیقاتی تزریق الکتریکی دما و دمای دما از لیزر سطح کریستالی فوتونیک مبتنی بر GAN (شکل 4) ، با طول موج لیزینگ تقریباً 415 نانومتر ، جریان آستانه 21.96 A ، یک آستانه آستانه مربوط به چگالی جریان تقریباً 17 قله تقریباً 13.7 Ka/cm² به دست آورد. در مرحله بعدی ، این تیم قصد دارد از بسترهای تک کریستالی با کیفیت بالا GAN برای طراحی یک ساختار جدید PCSEL مبتنی بر GAN و غلبه بر چالش ها در ساخت دستگاه PCSEL و فناوری بسته بندی/مدیریت حرارتی برای دستیابی به خروجی لیزر تک حالته با قدرت بالا (10-100 W) استفاده کند.
شکل 4. PCSEL مبتنی بر GAN: (الف) طیفهای الکترولومینسانس در جریانهای مختلف تزریق ، (ب) منحنی های ولتاژ ولتاژ قدرت نوری خروجی ، (ج) نقطه دور و (D) قبل و (E) پس از تصاویر نزدیک به میدان از لیزینگ PCSEL مبتنی بر GAN.
