जापान में निचिया कॉर्पोरेशन और क्योटो विश्वविद्यालय ने फोटोनिक क्रिस्टल सतह उत्सर्जक लेजर (पीसीएसईएल) की क्षमताओं को दृश्यमान स्पेक्ट्रम के हरे बैंड तक विस्तारित करने की रिपोर्ट दी है [नात्सुओ तागुची एट अल, एपल। भौतिक. एक्सप्रेस, वी17, पी012002, 2024]।
शोधकर्ता नीले पीसीएसईएल या हरे किनारे-उत्सर्जक लेजर डायोड और ऊर्ध्वाधर-गुहा सतह-उत्सर्जक लेजर डायोड की तुलना में हरे पीसीएसईएल के विकास को "आदिम" बताते हैं। हालाँकि, टीम को उम्मीद है कि ये उपकरण सामग्री प्रसंस्करण, उच्च चमक वाली रोशनी और डिस्प्ले जैसे अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक होंगे।
फोटोनिक क्रिस्टल (पीसी) ऑप्टिकल व्यवहार को नियंत्रित करने के लिए विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ सामग्रियों की दो-आयामी जाली संरचना का उपयोग करते हैं। शोधकर्ताओं को पीसीएसईएल से इस नियंत्रण का उपयोग करने की विशेष अपेक्षा है ताकि उच्च आउटपुट शक्तियों पर एकल-मोड व्यवहार को प्राप्त करना आसान हो सके, जिससे बीम की गुणवत्ता में सुधार हो सके।
शोधकर्ताओं ने टिप्पणी की, "फोटोनिक क्रिस्टल की विलक्षणताओं (उदाहरण के लिए, Γ) का शोषण करके, पीसीएसईएल ऊर्ध्वाधर और पार्श्व एकल-मोड दोलनों के साथ-साथ 0.2 डिग्री से कम कोण वाले कम विचलन विकिरण किरणों को प्राप्त करता है।" पीसीएसईएल ऑप्टिकल पावर को बड़े रेज़ोनेटर वॉल्यूम पर भी फैलाता है, इस प्रकार तीव्र ऑप्टिकल घनत्व के कारण होने वाली विनाशकारी ऑप्टिकल क्षति (सीओडी) से बचा जाता है।
हवा के बजाय सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) की भराव सामग्री का उपयोग करके पीसीएसईएल एपिटैक्सियल सामग्री की पी-जीएएन संपर्क परत में फोटोनिक क्रिस्टल का गठन किया गया था, जो पिछले अध्ययनों में अधिक आम था (चित्र 1)। सक्रिय परत को बढ़ाना और फिर फोटोनिक क्रिस्टल बनाना फोटोनिक क्रिस्टल के जाली स्थिरांक (ए) को एपिटैक्सियल संरचना की सक्रिय परत की मापी गई लाभ तरंग दैर्ध्य के अनुसार समायोजित करने की अनुमति देता है।
चित्र 1: हरे तरंग दैर्ध्य के साथ GaN-आधारित PCSEL की संरचना: (ए) कटी हुई चिप का क्रॉस-सेक्शन; (बी) (शीर्ष) आईटीओ इलेक्ट्रोड को हटाने के बाद पी-जीएएन सतह पर फोटोनिक क्रिस्टल की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) छवि; (नीचे) दोहरी-जाली फोटोनिक क्रिस्टल डिजाइन योजना।
जाली को SiO2 से भरने से लीकेज करंट को जाली के छेद की दीवारों पर प्रवाहकीय कणों से गुजरने से रोकता है, जिससे अधिक स्थिर वर्तमान नियंत्रण होता है और परजीवी रिसाव धाराएं कम हो जाती हैं। SiO2 फोटोनिक क्रिस्टल परत के प्रभावी अपवर्तक सूचकांक में भी सुधार करता है, जो कारण बनता है फोटोनिक क्रिस्टल की ओर बढ़ने के लिए मार्गदर्शक मोड और ऑप्टिकल क्षेत्र में युग्मन को बढ़ाता है।
SiO2 का उपयोग करने का एक दोष यह है कि यह फोटोनिक क्रिस्टल और GaN के बीच अपवर्तक सूचकांक कंट्रास्ट को कम कर देता है, जिससे फोटोनिक क्रिस्टल विमान में प्रकाश तरंगों को नियंत्रित करना अधिक कठिन हो जाता है। इसकी भरपाई के लिए, शोधकर्ताओं ने जाली छेद के व्यास को बढ़ाया और एक दोहरी-जाली संरचना का उपयोग किया, जहां एक यूनिट सेल में x और y दिशाओं में 0.4a द्वारा ऑफसेट दो जाली छेद होते हैं। ऐसा शोधकर्ताओं ने कहा, "पर्याप्त इन-प्लेन कारावास और युग्मन प्राप्त करने के लिए किया गया था, भले ही फोटोनिक क्रिस्टल को भरने वाले पी-गाएन और SiO2 के बीच अपवर्तक सूचकांक विपरीत कम हो।"
फोटोनिक क्रिस्टल निर्माण प्रक्रिया में समूह III नाइट्राइड एपिटैक्सियल सामग्री पर एक इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) पारदर्शी कंडक्टर जमा करना, फिर फोटोनिक क्रिस्टल के जाली छेद को प्रेरक रूप से युग्मित प्लाज्मा प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (आईसीपी-आरआईई) के साथ ड्रिल करना और फिर उन्हें भरना शामिल है। प्लाज्मा रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) का उपयोग करके SiO2 के साथ। आईटीओ सामग्री को संरचना से हटा दिया गया है, जिससे पी-इलेक्ट्रोड के रूप में एक 300-μm-व्यास गोलाकार केंद्र क्षेत्र और पी-इलेक्ट्रोड के रूप में पी-जीएएन क्रिस्टल रह गया है। गोलाकार केंद्र क्षेत्र पी-इलेक्ट्रोड और पी-गाएन के बीच एक नाली के रूप में कार्य करता है।
स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी इमेजिंग के अनुसार, शोधकर्ताओं की रिपोर्ट है कि फोटोनिक क्रिस्टल में SiO{0}} से भरे स्तंभों के केंद्र में एक छोटा वायु छिद्र होता है। टीम ने टिप्पणी की, "फोटोनिक क्रिस्टल विमान के भीतर वायु छिद्र का आकार एक समान है, और इसलिए यह माना जाता है कि वायु छिद्र की उपस्थिति पीसीएसईएल के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं करती है।"
डिवाइस की निर्माण प्रक्रिया को पूरा करने से पहले, n-GaN परत को तालिका-नक़्क़ाशी की आवश्यकता होती है और फिर तालिका को कवर करने के लिए SiO2 जमा किया जाता है (केंद्रीय आईटीओ क्षेत्र को छोड़कर); पी-इलेक्ट्रोड और एन-इलेक्ट्रोड क्रमशः ऊपर और नीचे की सतहों पर जमा होते हैं; और निचले गोलाकार लेजर आउटपुट क्षेत्र पर एक एंटी-रिफ्लेक्टिव (एआर) कोटिंग लगाई जाती है। फिर प्रदर्शन माप के लिए उपकरणों को काटा गया और एक उप-माउंट पर फ़्लिप किया गया।
21{6}} एनएम के फोटोनिक क्रिस्टल लैटिस स्थिरांक वाले उपकरण ने 5 ए के इंजेक्शन करंट पर 500 एनएस उत्पन्न करते हुए लगभग 50 mW की अधिकतम आउटपुट पावर हासिल की। 1 kHz की पुनरावृत्ति आवृत्ति पर स्पंदन। इसकी इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल रूपांतरण दक्षता (डब्ल्यूपीई) 0.1% थी। लेज़िंग सीमा 3.89 kA/cm2 के वर्तमान घनत्व पर पहुंच गई थी। ढलान दक्षता 0.02 W/A थी। आउटपुट लेजर को 0.8 के ध्रुवीकरण अनुपात के साथ रैखिक रूप से ध्रुवीकृत किया गया था। वृत्ताकार दूर-क्षेत्र पैटर्न (एफएफपी) का विचलन कोण 0.2 डिग्री था। लेजर तरंग दैर्ध्य 505.7 एनएम था।
लेजर तरंग दैर्ध्य को कुछ हद तक ट्यून किया जा सकता है जब फोटोनिक क्रिस्टल जाली पैरामीटर 210 एनएम और 217 एनएम (छवि 2) के बीच भिन्न होता है। 217 एनएम डिवाइस की अधिकतम उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य 520.5 एनएम है। सक्रिय परत का लाभ शिखर लगभग 505 एनएम है, इसलिए लंबी तरंग दैर्ध्य पर लेजर प्रकाश का उत्पादन करना अधिक कठिन है, जिससे फोटोनिक क्रिस्टल जाली स्थिरांक में वृद्धि के साथ थ्रेशोल्ड में वृद्धि होती है।
शोधकर्ता यह भी रिपोर्ट करते हैं कि उच्च फोटोनिक क्रिस्टल जाली स्थिरांक वाले कुछ उपकरण रैखिक दूर-क्षेत्र पैटर्न के साथ फ्लैटबैंड लेज़िंग उत्सर्जित करते हैं। टीम इस तरह के फ्लैट-बैंड लेज़िंग का श्रेय फोटोनिक क्रिस्टल संरचना में उतार-चढ़ाव और फोटोनिक क्रिस्टल के अपेक्षाकृत कम युग्मन गुणांक को देती है।
शोधकर्ताओं ने टिप्पणी की, "फोटोनिक क्रिस्टल परत और एपिटैक्सियल क्रिस्टल परत को अनुकूलित करके इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल रूपांतरण दक्षता में सुधार किया जा सकता है। फोटोनिक क्रिस्टल के लिए, ज्यामिति को अनुकूलित करके मजबूत इन-प्लेन युग्मन और ऊर्ध्वाधर विकिरण की उम्मीद की जाती है। एपिटैक्सियल क्रिस्टल परत को ऐसा करना चाहिए फोटोनिक क्रिस्टल क्षेत्र में मूलभूत मार्गदर्शक मोड की ताकत को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए, साथ ही इंजेक्शन वाहकों के गैर-ल्यूमिनसेंट नुकसान को भी ध्यान में रखना चाहिए।"
भविष्य के अनुसंधान के लिए एक तत्काल आवश्यकता निरंतर-तरंग संचालन की प्राप्ति है।
