Laser Kristal Fotonik
JEOLnews Jilid 49, Nombor 1, 2014
Susumu NODA
Jabatan Sains Elektronik dan Kejuruteraan, Universiti Kyoto
Pengenalan
Adalah diketahui umum bahawa laser maklum balas teragih semikonduktor mempunyai kekisi satu dimensi, dan gelombang perambatan ke hadapan mengalami pantulan Bragg disebabkan parut ini, dibiaskan ke arah yang bertentangan. Gelombang yang merambat ke hadapan dan ke belakang berganding antara satu sama lain untuk menghasilkan gelombang berdiri, membentuk rongga. Ini bersamaan dengan fakta bahawa dalam hablur fotonik satu dimensi kehilangan rongga adalah paling kecil pada tepi jalur, yang berada di kedua-dua hujung celah jalur fotonik, menimbulkan keadaan yang menyebabkan ayunan. Apabila idea ini diperluaskan kepada hablur fotonik dengan dua dimensi setiap iodik, seseorang boleh menggunakan gandingan gelombang optik akibat pantulan Bragg dalam satah dua dimensi untuk membentuk keadaan gelombang berdiri yang meliputi seluruh permukaan kapal terbang [1,2] . Akibatnya, ia menjadi mungkin untuk mendapatkan mod ayunan dengan taburan medan elektromagnet yang ditakrifkan dengan sempurna pada setiap titik kekisi dalam kristal dua dimensi. Output optik boleh dibelaukan ke arah yang berserenjang dengan satah kristal, dengan itu merealisasikan ciri pemancar muka sur. Hablur fotonik dua dimensi dengan itu membolehkan pembinaan laser pemancar permukaan di mana bukan sahaja mod longitudinal pengikat ditakrifkan, tetapi juga corak rasuk, biasanya dirujuk sebagai mod melintang. Tambahan pula, ia menjadi mungkin untuk merealisasikan laser baru yang berayun dalam mod membujur dan melintang tunggal, tidak kira betapa besarnya kawasan permukaan, yang mengatasi konsep konvensional dalam bidang penyelidikan laser.
Laser semikonduktor pertama yang berasaskan prinsip ini telah direalisasikan pada tahun 1999 [1] . Sejak itu, sebagai tambahan kepada demonstrasi pengelasan berterusan suhu bilik, telah ditunjukkan bahawa kristal fotonik dua dimensi boleh menghasilkan rasuk dengan polarisasi dan corak terkawal; contohnya, rasuk berbentuk donat boleh dibentuk, yang dijangka boleh difokuskan kepada saiz yang lebih kecil daripada panjang gelombang [2-6]. Perkembangan terkini lain yang ketara menggunakan prinsip ini ialah merealisasikan operasi pemancaran permukaan biru-ungu jenis suntikan semasa dan operasi stereng pancaran elektronik [7, 8]. Kami membincangkan keadaan seni semasa dalam bahagian berikut.
Struktur Peranti Asas dan Prinsip Operasi
Rajah 1 menunjukkan contoh laser berdasarkan kesan tepi jalur kristal fotonik dua dimensi. Laser ini terdiri daripada dua wafer, A dan B; wafer A termasuk lapisan aktif untuk suntikan elektron dan lubang, dan kristal fotonik sebagai lapisan paling atas. Penyepaduan wafer A dan B menyebabkan kristal fotonik diapit untuk melengkapkan peranti. Seperti yang ditunjukkan dalam sisipan Rajah 1, kristal fotonik ini mempunyai struktur kekisi segi empat sama dan direka bentuk supaya periodicity dalam arah Г-X sepadan dengan panjang gelombang pelepasan dalam lapisan aktif. Dalam reka bentuk ini, cahaya merambat dalam arah Г-X tertentu ialah Bragg difraksi ke arah bertentangan (-180°), serta ke arah -90° dan 90°; empat gelombang cahaya setara merambat dalam arah Г-X kemudian berpasangan untuk membentuk rongga dua dimensi. Lebih tepat lagi, gelombang Bloch peringkat tinggi sebagai tambahan kepada empat gelombang asas ini terlibat untuk pembinaan mod rongga dua dimensi (lihat Rajah 2(a)). Rajah 2(b) menunjukkan struktur jalur fotonik rongga ini. Mod pengikat berlaku pada tepi jalur yang ditunjukkan oleh titik merah pada titik Г bagi empat jalur, A, B, C dan Kyoto 615-8510, Jepun, E-mel: [e-mel dilindungi] (2014) Jld. 49 No. 1 JEOL News 30 D. Analisis terperinci [9] menunjukkan bahawa mana-mana tepi jalur dalam jalur A dan B menghasilkan faktor Q tertinggi, dan ayunan lasing paling mudah berlaku di sana. Rasuk keluaran boleh digandingkan keluar ke arah biasa ke permukaan kristal fotonik.
Rajah 1 Skema contoh laser berdasarkan kesan tepi jalur kristal fotonik dua dimensi. Inset menunjukkan kristal fotonik dengan struktur kekisi empat segi.
Rajah 2 (a) Gelombang bloch yang membina mod rongga dua dimensi, dan (b) struktur jalur fotonik.
Ayunan Koheren Kawasan Luas dan Kawalan Corak Pancaran
Untuk membina peranti yang ditunjukkan dalam Rajah.1, hablur fotonik telah direka oleh litografi rasuk elektron dan teknik goresan kering dan dibenamkan dalam peranti dengan teknik ikatan wafer. Peranti berjaya berayun secara koheren dalam kawasan luas seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Adalah jelas bahawa operasi panjang gelombang tunggal telah dicapai di seluruh peranti walaupun kawasan pengikat yang besar 150 × 150 μm.
Keupayaan sedemikian untuk merealisasikan ayunan koheren kawasan luas membolehkan kami menghasilkan corak pancaran yang sangat unik, yang tidak dapat direalisasikan oleh laser semikonduktor konvensional. Oleh kerana corak rasuk yang dipancarkan permukaan daripada laser kristal fotonik boleh ditentukan oleh transformasi Fourier bagi taburan elektromagnet dua dimensinya, corak rasuk boleh disesuaikan dengan mengubah taburan elektromagnet dalam satah dua dimensi, iaitu, dengan menukar keadaan gandingan cahaya yang merambat dalam pelbagai arah dalam satah dua dimensi. Satu kaedah yang berkesan untuk mencapai ini adalah untuk mengubah bentuk dan jarak titik kekisi dalam kristal fotonik. Rajah 4(a) dan (b) menunjukkan taburan medan elektromagnet dalam kekisi unit hablur apabila masing-masing lubang yang diletakkan pada titik kekisi ialah bulatan dan segi tiga sama. Menukar bentuk lubang daripada bulat kepada segi tiga menghilangkan simetri putaran empat kali ganda dalam taburan medan elektromagnet; tiada simetri dalam arah-x untuk lubang segi tiga. Rajah 4(c) – (g) menunjukkan taburan medan elektromagnet ke atas keseluruhan kristal dalam kes di mana anjakan mata kekisi diperkenalkan untuk meningkatkan jarak kekisi sama ada dalam arah membujur atau melintang. Rajah 4(c) mewakili kes tanpa anjakan, manakala Rajah 4(d) – (g) mewakili peningkatan bilangan shi f ts. Adalah jelas bahawa peralihan jarak kekisi membalikkan kekutuban taburan medan elektromagnet pada kedudukan anjakan. Meningkatkan lagi bilangan anjakan mengulangi pembalikan medan elektromagnet. Adalah jelas bahawa pengagihan medan elektromagnet dalam satah boleh dikawal dalam pelbagai cara dengan reka bentuk kristal fotonik yang sesuai.
Kami membuat peranti dengan pelbagai struktur kristal fotonik yang berbeza, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5 (a) –5(f) . Semua peranti ini mempamerkan ayunan lasing pada suhu bilik dengan mod tunggal yang stabil. Panel sebelah kanan Rajah 5(a)–9(f) menunjukkan corak rasuk terukur yang bergerak balas. Pelbagai corak yang menarik diperoleh daripada bentuk donat tunggal hingga donat dua kali ganda, donat empat kali ganda dan bentuk bulat biasa. Perbezaan rasuk adalah sangat sempit, mencerminkan fakta bahawa ini adalah ayunan laser koheren kawasan besar. Peranti dalam Rajah 5(a) mempunyai lubang bulat biasa, dan taburan medan elektromagnet yang sepadan mempamerkan simetri putaran yang jelas seperti ditunjukkan dalam Rajah 4 (a). Apabila cahaya laser yang sepadan dengan pengagihan medan elektromagnet ini dikeluarkan kepada ruang kosong, medan elektromagnet di tengah-tengah rasuk terbatal untuk menghasilkan rasuk berbentuk donat. Sebaliknya, lubang kekisi segi tiga (Rajah 5(f)) mengeluarkan simetri putaran taburan medan elektromagnet, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4(b). Kesan pembatalan di tengah rasuk dalam Rajah 4(a) juga hilang, menghasilkan corak bulat yang bersih. Dalam kes ini, polarisasi juga berbeza, menjadi linear. Memperkenalkan kesan tidak simetri sebegitu merupakan faktor utama dalam mencapai kuasa output optik yang tinggi dengan membolehkan kecekapan pengekstrakan optik yang lebih besar dalam arah serenjang seperti yang diterangkan dalam bahagian seterusnya. Ambil perhatian bahawa dalam bahagian seterusnya, struktur tidak simetri yang ketara dalam bentuk lubang udara berbentuk isoscelestriangle-kanan telah digunakan untuk operasi kuasa yang lebih tinggi.
Rajah 3. Corak medan dekat dengan spektrum pengikat pada pelbagai titik peranti.
Rajah 4 Corak medan dekat dengan spektrum pengikat pada pelbagai titik peranti. Pengagihan medan elektromagnet dalam pelbagai laser kristal fotonik. Anak panah hitam mewakili medan elektrik, dan teduhan menunjukkan medan magnet dalam arah yang berserenjang dengan kertas. Taburan medan di sekeliling titik kekisi ditunjukkan untuk (a) titik kekisi bulat dan (b) titik kekisi segi tiga. Taburan medan ke atas keseluruhan kristal ditunjukkan untuk titik kekisi bulat dengan (c) tiada anjakan fasa, (d) satu anjakan fasa dalam arah-x, (e) dua anjakan fasa dalam arah-x, (f) satu anjakan fasa dalam kedua-dua arah, dan (g) dua anjakan fasa dalam kedua-dua arah. Fasa di setiap rantau telah dianjakkan dengan merentasi sempadan tempat peralihan fasa diperkenalkan.
Rajah 5 Mikrograf elektron (panel kiri) dan memperoleh corak rasuk (panel kanan) bagi hablur fotonik yang direka untuk membina laser. Hablur fotonik dengan titik kekisi bulat ditunjukkan dengan (a) tiada anjakan tempoh kekisi, (b) satu anjakan kekisi dalam satu arah, (c) dua anjakan kekisi dalam satu arah, (d) satu anjakan kekisi dalam kedua-dua arah, dan (e) dua anjakan kekisi dalam kedua-dua arah. (f) Titik kekisi segi tiga tanpa anjakan fasa.
Laser fotonik-kristal berkuasa tinggi kelas watt dan pancaran tinggi
Dalam bahagian sebelumnya, kristal fotonik telah dibenamkan dalam peranti dengan teknik ikatan wafer, di mana antara muka terikat mungkin mengandungi banyak keadaan kecacatan yang menyerap cahaya pengikat dan menyukarkan untuk merealisasikan operasi kuasa tinggi. Untuk mengelakkan kemerosotan prestasi sedemikian, kami menukar kaedah untuk memperkenalkan kristal fotonik ke dalam peranti daripada ikatan wafer kepada teknik pertumbuhan kristal seperti epitaksi fasa wap organologam (OMVPE) [10,11], dan mendapati bahawa lubang udara kristal fotonik boleh dikekalkan walaupun dengan teknik pertumbuhan kristal. Rajah 6 (a) menunjukkan skema peranti yang direka oleh OMVPE dua langkah. Ambil perhatian bahawa arah pertumbuhan adalah ke bawah. Rajah 6 (b) menunjukkan imej mikroskop elektron pengimbasan pelan-view (SEM) bagi hablur fotonik dengan lubang udara berbentuk segi tiga sama kaki kanan sebelum pertumbuhan hablur. Imej SEM keratan rentas biasa bagi deretan lubang udara yang dibenamkan oleh OMVPE ditunjukkan dalam Rajah 6(c). Jelas kelihatan bahawa lubang udara telah berjaya dibenamkan dalam peranti, di mana lubang udara menjadi lebih sempit ke arah bahagian bawah peranti, manakala bahagian atas lubang udara mengekalkan bentuk yang hampir seragam dengan dinding sisi menegak.
Saya kemudian menghuraikan ciri-ciri pengikat bagi peranti yang direka [12] di bawah keadaan gelombang berterusan (CW) suhu bilik (RT) . Keputusan eksperimen yang sepadan ditunjukkan dalam Rajah 7(a) – (c). Kuasa keluaran CW maksimum sebanyak 1.5 W pada 2.5 A telah dicapai dengan rasuk lobus tunggal yang sempit dengan perbezaan rendah. Apabila kuasa keluaran kurang daripada 0.5 W, kualiti rasuk dinilai secara kuantitatif dengan mengukur nilai M2. Untuk rasuk Gaussian yang ideal, M2 dikenali sebagai kesatuan, tetapi ia meningkat apabila kualiti rasuk terdegradasi disebabkan oleh multimod melintang. Pengukuran M2 dilakukan di bawah keadaan CW suhu bilik, dan kami mendapati bahawa M2 disimpan hampir pada ~1.0 dalam kedua-dua arah x dan y sehingga kuasa sehingga 0.5 W, menunjukkan bahawa mod melintang tunggal asas dikekalkan . Ambil perhatian bahawa sudut perbezaan rasuk adalah kurang daripada 3° walaupun pada aras kuasa 1.5W.
Laser dengan perbezaan rasuk baris sempit sedemikian harus membolehkan aplikasi unik yang tidak memerlukan sebarang kanta. Kami memeriksa penyinaran langsung sehelai kertas yang diletakkan 8.5 cm dari PCSEL untuk menunjukkan potensi lensa-f ree sedemikian di bawah operasi CW pada 25 ° C. Keluaran cahaya ditetapkan kepada 0.86 W pada arus 1.7 A. Kertas itu dibakar, membentuk lubang kecil sejurus selepas sinaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8. Walaupun ini hanyalah demonstrasi mudah, ia menunjukkan potensi aplikasi tanpa kanta.
Rajah 6 (a) Skema peranti yang direka oleh OMVPE dua langkah. (b) imej SEM paparan pelan bagi hablur fotonik dengan lubang udara berbentuk segi tiga isosceles kanan yang dibentuk oleh litografi rasuk elektron (JEOL JBX-6300FS) dan goresan kering. (c) Imej SEM keratan rentas biasa bagi deretan lubang udara yang dibenamkan oleh OMVPE.
Rajah 7 Gambar diambil sejurus selepas sinaran terus laser pada helaian kertas hitam diletakkan 8.5 cm dari peranti.
Ciri-ciri pengikat peranti yang direka oleh OMVPE dua langkah. (a) ciri IL, (b) spektrum pengelasan, dan (c) corak medan jauh pada pelbagai tahap suntikan semasa.
Rajah 8 Gambar diambil sejurus selepas sinaran terus laser pada helaian kertas hitam diletakkan 8.5 cm dari peranti.
Kesimpulan (atau Ringkasan)
Saya telah menerangkan status semasa dan perkembangan terkini dalam bidang laser fotonik-kristal. Telah ditunjukkan bahawa kesan pinggir jalur bagi hablur fotonik dua dimensi membolehkan ayunan lasing mod membujur dan t ransver se luas besar, serta kawalan sepenuhnya ke atas corak pancaran yang diperolehi. Ia juga telah diterangkan bahawa peranti dengan kuasa output melebihi 1.5 watt di bawah keadaan CW di RT. Kerja kami mewakili pencapaian penting untuk inovasi dalam bidang laser kerana ia menyediakan laluan ke arah mengatasi batasan dalam aplikasi yang mengalami kualiti rasuk rendah, yang membuka pintu kepada pelbagai aplikasi dalam pemprosesan bahan, perubatan laser, optik tak linear, penderiaan dan sebagainya.
Penghargaan
Penulis mengucapkan terima kasih kepada ahli Noda's Lab., Universiti Kyoto, dan Rohm dan Hamamatsu Photonics atas kerjasama tersebut. Kerja ini disokong sebahagiannya oleh JST, ACCEL & CREST, C-PhoST, MEXT, Jepun.
Rujukan
[ 1 ] M. Imada, S. Noda, A. Chutinan, T. Tokuda, M. Murata, dan G. Sasaki : "Tindakan pengikat dua dimensi yang koheren dalam laser pemancar permukaan dengan struktur kristal fotonik kekisi segitiga," Appl. Fizik. Lett., jilid.75, hlm.316-318 (1999).
[ 2 ] S. Noda, M. Yokoyama, M. Imada, A. Chutinan, M. Mochizuki, "Kawalan Mod Polarisasi Laser Kristal Fotonik Dua Dimensi oleh Reka Bentuk Struktur Sel Unit," Sains, jilid.293, ms 1123-1125 (2001).
[ 3 ] M. Imada, A. Chut inan, S. Noda, dan M. Mochi zuki , "Laser kristal fotonik maklum balas yang berbeza secara langsung", Kajian Fizikal B, Jld.65, No.19, hlm.195306 (2002).
[4] K. Sakai, E. Miyai, T. Sakaguchi, D. Ohnishi, T. Okano, dan S. Noda, "Pengenalpastian tepi jalur pengelasan untuk laser fotonikkristal pemancar permukaan," Jurnal IEEE Kawasan Terpilih dalam Komunikasi, jld.23, no.7, hlm.1330-1334 (2005).
[ 5 ] D. Ohnishi, T. Okano, M. Imada, dan S. Noda, "Kendalian Gelombang Berterusan Suhu Bilik bagi Laser Diod Kristal Fotonik Dua Dimensi Pemancar Permukaan," Optik Ekspres, jilid.12, hlm.1562-1568 (2004).
[ 6 ] E. Miyai, K. Sakai, T. Okano, W, Kunishi, D. Ohnishi, dan S. Noda, "Laser menghasilkan rasuk yang disesuaikan", Alam, Vol.441, No.7096, hlm.946-946 (2006).
[ 7 ] H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, dan S. Noda, "Laser pemancar permukaan kristal fotonik GaN pada panjang gelombang biru-ungu", Sains/Ilmu, Vol. 319, No. 5862, ms 445-447, (2008).
[ 8 ] Y. Kurosaka, S. Iwahashi, Y. Liang, K. Sakai, E. Miyai, W. Kunishi, D. Ohnishi, dan S. Noda, "Laser fotonik-kristal pancaran onchip", FOTONIK ALAM, Jld.4, No. 7, ms 447-450 (2010).
[ 9 ] Y. Liang, P. Chao, K. Sakai, S. Iwahashi, dan S. Noda, "Model gelombang gandingan tiga dimensi untuk laser kristal fotonik kekisi persegi dengan polarisasi elektrik melintang: Pendekatan umum", Kajian Fizikal B, jld. 84, tidak. 19, 195119 (2011).
[10] T. Sakaguchi, W. Kunishi, S. Arimura, K. Nagase,E. Miyai, D. Ohnishi, K. Sakai, S. Noda, "Laser Pemancaran Fotonik-Kristal Permukaan dengan Kuasa Puncak 35W," Persidangan mengenai Laser dan Elektrooptik dan Persidangan Elektronik Kuantum Antarabangsa 2009, CTuH1 (2009).
[11] K. Hi rose, Y. Kurosaka, A. Watanabe, T. Sugiyama, Y. Liang, dan S. Noda, "Laser Pemancar Permukaan Kristal Fotonik berkuasa tinggi," Persidangan Ke-10 tentang Laser dan Elektro-Optik Lingkaran Pasifik (CLEO-PR 2013), ThI1-4 (2013).
[12] M. Nishimoto, K. Ishizaki, K. Maekawa, K. Kitamura, dan S. Noda, "Pertumbuhan Tertahan Lubang Udara h oleh cukai Mol ecular Be am Epi untuk Fabrikasi Laser Fotonik-Kristal Berasaskan GaA", Ekspres Fizik Gunaan, jld. 6, tidak. 4, 042002, (2013).
[13] K. Hirose, Y. Liang, Y. Kurosaka, A. Watanabe, T. Sugiyama, dan S. Noda, "Laser fotonik-hablur fotonik-berkualiti tinggi bertaraf Watt", Alam Photonics, jilid.8, hlm.406-411 (2014).doi: 10.1038/ ncomms4138.
Produk Berkaitan
Adakah anda seorang profesional perubatan atau kakitangan yang terlibat dalam penjagaan perubatan?
Tidak
Sila diingatkan bahawa halaman ini tidak bertujuan untuk memberikan maklumat tentang produk kepada orang ramai.