日亞公司和日本京都大學報告稱，已將光子晶體面發射激光器（PCSEL）的功能擴展到可見光譜綠光波段 [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024]。
據研究人員描述，與藍光PCSEL或綠光邊發射激光二極管和垂直腔面發射激光二極管相比，綠光PCSEL的發展目前還處于“原始水平”。不過，研究團隊希望這類器件能對材料加工、高亮度照明、顯示等應用產生吸引力。
光子晶體（PC）使用折射率不同的材料的二維晶格結構來控制光學行為。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單模行為，從而提高光束質量。
研究人員評論道：“通過利用光子晶體的奇點（如Γ），PCSEL實現了垂直和橫向單模振蕩以及角度小于0.2°的低發散輻射光束。”PCSEL還能將光功率分散到較大諧振器體積上，從而避免強光密度造成的災難性光損傷（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）。生長有源層后再創造光子晶體，就可以根據外延結構有源層的測得增益波長調整光子晶體的晶格常數（a）。
圖1：基于GaN的綠光波長PCSEL的結構：（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）雙晶格光子晶體設計方案。
用SiO2填充晶格可避免漏電流穿過晶格孔側壁的導電粒子，從而使電流控制更加穩定，并減少寄生漏電流。SiO2還能提高光子晶體層的有效折射率，使導模向光子晶體移動，增強與光場的耦合。
使用SiO2存在一個缺點，即降低了光子晶體與GaN的折射率對比度，使光子晶體平面內的光波更難控制。為了彌補這一缺陷，研究人員增大了晶格孔的直徑，并采用了雙晶格結構，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）透明導體，然后用電感耦合等離子體反應離子蝕刻（ICP-RIE）鉆出光子晶體的晶格孔，再利用等離子體化學氣相沉積（CVD）填充SiO2。ITO材料已從結構中去除，只留下一個直徑為300μm的圓形中心區域作為p-電極和p-GaN之間的導管。
研究人員報告稱，根據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。研究團隊評論道：“氣孔形狀在光子晶體平面內是均勻的，因此認為氣孔的存在不會對PCSEL的性能產生重大影響。”
完成該器件的制作過程前，需要對n-GaN層進行臺面蝕刻，再沉積SiO2覆蓋臺面（中部ITO區域除外）；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域涂上抗反射（AR）涂層。然后，器件被切割并翻轉到子支架上進行性能測量。
在以1kHz重復頻率產生500ns脈沖的5A注入電流下，光子晶體晶格常數a為210nm的器件實現了約50mW的最大輸出功率。其電光轉換效率（WPE）為0.1%。電流密度為3.89kA/cm2時達到激光閾值。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。圓形遠場圖案（FFP）的發散角度為0.2°。激光波長為505.7nm。
光子晶體晶格參數a在210nm和217nm之間變化時，可以對激光波長進行一定程度的調節（圖2）。217nm器件的最大發射波長為520.5nm。有源層的增益峰值約為505nm，因此波長較長時更難產生激光，導致閾值隨光子晶體晶格常數的增大而增大。
圖2：具有不同光子晶體晶格常數的器件的激光光譜。
研究人員還報告稱，一些光子晶體晶格常數較高的器件發出帶線形遠場圖案的平帶激光。研究團隊將這類平帶激光歸因于光子晶體結構的波動，以及光子晶體相對較低的耦合系數。
研究人員評論道：“通過優化光子晶體層和外延晶體層，可以改善電光轉換效率。對光子晶體而言，通過優化幾何結構，有望實現更強的面內耦合和垂直輻射。設計外延晶體層時，應最大限度提高光子晶體區域基礎導模的強度，同時還要考慮注入載流子的非發光損耗。”
未來研究的一個迫切需要是實現連續波運行。
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