Konventionelle Halbleiterlaser wie Fabry-Pérot (FP) Hohlraumlaser, verteilte Feedback (DFB) -Laser und Oberflächen-emittierende Laser (Vcsels) vertikaler Kavitivität können jedoch nicht gleichzeitig eine Ein-Mode-Operation, Hochleistungsleistung und ein kleiner Divergence-Angle {.}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} u. Bragg-Beugung in zweidimensionalen photonischen Kristallen, um einen einzelnen Modus-Laserausgang mit einem kleinen Divergenzwinkel zu erzielen (Abbildung 1), wodurch sie sowohl im Inland als auch international zu einem der Hot Research-Themen . zu einem der Hot Research-Themen machen.
Gallium Nitrid (GaN) -basierte Halbleitermaterialien haben eine direkte Bandlücke mit Emissionswellenlängen, die sich über das tiefe Ultraviolett-Spektrum erstrecken, was Vorteile wie hohe leuchtende Effizienz und exzellente chemische Stabilität ermöglicht, wodurch sie für PCSel-Fertigung geeignet sind. Unterwasserkommunikation, interstellare Kommunikation, Chip-Atomuhren, Tiefständexploration, Atomradar und Lasermedizin, die weit verbreitete Aufmerksamkeit auf sich ziehen .
Abbildung 1. Strukturdiagramme, typische Winkel der Fernfelddivergenz und Ausgangsfaktoren von FP-Edge-emittierenden Lasern, DFB-Edge-emittierenden Lasern, VCSELS und PCSELS .
Professor Noda's team at Kyoto University in Japan first proposed the concept of PCSELs in 1999 and reported the first room-temperature electro-injection lasing of GaN-based violet PCSELs in Science 319, 445 (2008). Subsequently, in collaboration with Japan's Stanley Company in 2022 and Japan's Nichia Company in 2024, they further extended the emission wavelength of GaN-based PCSELs Zu den blauen und grünen Lichtbändern.
In Zusammenarbeit mit dem wichtigsten Labor für Halbleiter-Display-Materialien und -Pips und des Suzhou-Labors, die beide vom Suzhou Institute of Nanotechnology und Nanowissenschaften der chinesischen Akademie der Wissenschaften gegründet wurden
The research team first simulated and designed the structure of the GaN-based PCSEL device, then epitaxially grew high-quality GaN-based laser materials, and developed low-damage photonic crystal etching and passivation processes to fabricate the GaN-based PCSEL device, with a photonic crystal area size of 400×400 μm² (Figure 2). By measuring the band structure of the GaN-based PCSEL in the Γ-X-Richtung unter Verwendung von Winkel-gelösten Spektroskopie (Abbildung 3) wurde beobachtet, dass: Bei niedrigen Injektionsströmen die Bandstruktur klar ist, wobei der Modus C die höchste Intensität hat; Mit zunehmendem Strom verbessert sich die Intensität des nicht radiativen Modus B erheblich, bis die Lasing . durch Messung der Bandstruktur erfolgt, dass die Gerätelasungen im Grundmodus B mit einem Modus-Halbbreite von ungefähr 0 . 05 nm in der Nähe des Threshold-Stroms.
Abbildung 2. (a) Schematisches Diagramm der PCSEL-Struktur auf GaN-basierter Basis, (b) Photonische Kristallbandstruktur, die aus optischen Pumpentests erhalten wurde, und (c) Oberfläche und (d) Querschnittsrasterelektronenmikroskopbilder der photonischen Kristall .}}}}
Abbildung 3. (a-e) Bandstruktur der GaN-basierten PCSEL in γ-X
Based on the above work, the research team achieved room-temperature electrical injection lasing of a GaN-based photonic crystal surface-emitting laser (Figure 4), with a lasing wavelength of approximately 415 nm, a threshold current of 21.96 A, a corresponding threshold current density of approximately 13.7 kA/cm², and a peak output power of Ungefähr 170 MW. Im nächsten Schritt plant das Team, qualitativ hochwertige GAN-Single-Kristall-Substrate zu verwenden, um eine neue GaN-basierte PCSEL-Struktur zu entwerfen und Herausforderungen bei der Herstellung von PCSEL-Geräten und der Verpackung/thermischen Management-Technologie zu bewältigen, um eine Hochleistungs-Laser-Laser-Ausgabe von Hochleistungen (10–100 W) zu erreichen.
Abbildung 4. GaN-basiertes PCSEL: (a) Elektrolumineszenzspektren an verschiedenen Injektionsströmen, (b) Ausgabe optischer Stromstrom-Spannungskurven, (c) FAR-Field-Spot und (d) vor und (e) nach nahezu Field-Bildern von GaN-basierten PCSel-Lasing {.}}}}
