Фотонно-кристаллические лазеры
JEOLnews, том 49, номер 1, 2014 г.
Сусуму НОДА
Факультет электронных наук и техники, Киотский университет
Введение
Хорошо известно, что полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью имеют одномерную решетку, и что идущая вперед волна претерпевает брэгговское отражение благодаря этой решетке, дифрагируя в противоположном направлении. Возникающие в результате прямая и обратная волны соединяются друг с другом, образуя стоячую волну, образующую полость. Это эквивалентно тому факту, что в одномерном фотонном кристалле потери в резонаторе наименьшие на краях зон, которые находятся на обоих концах фотонной запрещенной зоны, что приводит к состоянию, вызывающему колебание. Когда эта идея распространяется на фотонные кристаллы с двумерной периодичностью, можно использовать связь оптических волн из-за брэгговского отражения в двумерной плоскости, чтобы сформировать состояние стоячей волны, которое покрывает всю поверхность кристалла. плоскость [1,2] . В результате появляется возможность получить режим колебаний с точно определенным распределением электромагнитного поля в каждой точке решетки двумерного кристалла. Оптический выходной сигнал может дифрагировать в направлении, перпендикулярном плоскости кристалла, таким образом реализуя поверхностно-излучающую характеристику. Таким образом, двумерные фотонные кристаллы позволяют создавать лазеры с поверхностным излучением, в которых определяется не только продольная мода генерации, но и диаграмма направленности, обычно называемая поперечной модой. Кроме того, становится возможным реализовать новый лазер, который колеблется в одной продольной и поперечной моде, независимо от того, насколько велика площадь поверхности, что превосходит обычную концепцию в области лазерных исследований.
Первый полупроводниковый лазер, основанный на этом принципе, был реализован в 1999 г. [1]. С тех пор, в дополнение к демонстрации непрерывной генерации при комнатной температуре, было показано, что двумерные фотонные кристаллы могут генерировать лучи с контролируемой поляризацией и диаграммами; например, может быть сформирован пучок в форме бублика, который, как ожидается, будет сфокусирован до размеров, меньших длины волны [2-6]. Другими известными недавними разработками, использующими этот принцип, являются реализация операции сине-фиолетового поверхностного излучения типа инжекции тока и операции электронного управления лучом [7, 8]. Мы обсудим текущее состояние дел в следующих разделах.
Базовая структура устройства и принцип работы
Рисунок 1 показан пример лазера, основанного на граничном эффекте двумерного фотонного кристалла. Этот лазер состоит из двух пластин, A и B; Пластина А включает активный слой для инжекции электронов и дырок и фотонный кристалл в качестве самого верхнего слоя. Интеграция пластин A и B приводит к тому, что фотонный кристалл помещается в сэндвич, чтобы завершить устройство. Как показано на вставке к рис. 1, этот фотонный кристалл имеет квадратную структуру решетки и сконструирован таким образом, что периодичность в направлении Г-Х совпадает с длиной волны излучения в активном слое. В этой конструкции свет, распространяющийся в определенном направлении Г-Х, дифрагирует по Брэггу в противоположном (-180°) направлении, а также в направлениях -90° и 90°; четыре эквивалентные световые волны, распространяющиеся в направлении Г-Х, затем объединяются, образуя двумерную полость. Точнее, блоховские волны более высокого порядка в дополнение к этим четырем фундаментальным волнам участвуют в построении двумерной резонаторной моды (см. Рис 2(а)). На рис. 2(b) показана фотонная зонная структура этого резонатора. Режим генерации возникает на краях полос, обозначенных красными точками в Г-точках четырех полос, A, B, C и Киото 615-8510, Япония, E-mail: [электронная почта защищена] (2014) Том. 49 No. 1 JEOL News 30 D. Детальный анализ [9] показывает, что любой из краев полос в полосах A и B дает наибольшую добротность, и именно там наиболее легко возникает генерация генерации. Выходной пучок может быть направлен в направлении нормали к поверхности фотонного кристалла.
Рис. 1 Схема примера лазера на основе двумерного фотонного кристаллического граничного эффекта. На вставке показан фотонный кристалл с квадратной структурой решетки.
Рис. 2 (а) Блоховские волны, которые создают двумерную резонаторную моду, и (б) фотонная зонная структура.
Когерентные колебания широкой области и управление диаграммой направленности
Для создания устройства, показанного на рис. 1, фотонный кристалл был изготовлен методами электронно-лучевой литографии и сухого травления и встроен в устройство методом соединения пластин. Устройство успешно когерентно колебалось в широкой области, как показано на Рис 3. Видно, что в устройстве была достигнута работа на одной длине волны, несмотря на большую площадь генерации 150 × 150 мкм.
Такая способность реализовать когерентную генерацию широкой области позволяет нам создавать очень уникальные диаграммы направленности, которые не могут быть реализованы с помощью обычных полупроводниковых лазеров. Поскольку диаграмма направленного с поверхности луча фотонно-кристаллического лазера может быть определена преобразованием Фурье его двумерного электромагнитного распределения, диаграмма луча может быть адаптирована путем изменения электромагнитного распределения в двумерной плоскости, т. е. путем изменения состояния связи света, распространяющегося в различных направлениях в двумерной плоскости. Одним из эффективных методов достижения этого является изменение формы и расстояния между точками решетки в фотонном кристалле. Рисунок 4(а) и (б) показывают распределение электромагнитного поля в элементарной решетке кристалла, когда отверстия, расположенные в узлах решетки, представляют собой круги и равносторонние треугольники соответственно. Изменение формы отверстий с круглой на треугольную устраняет четырехкратную вращательную симметрию в распределении электромагнитного поля; для треугольных отверстий нет симметрии в направлении x. На рис. 4(c) – (g) показаны распределения электромагнитного поля по всему кристаллу в случаях, когда сдвиги узлов решетки вводились для увеличения периода решетки либо в продольном, либо в поперечном направлениях. На рис. 4(с) представлен случай без сдвига, тогда как на рис. 4(d) – (g) представлено увеличение количества сдвигов. Очевидно, что смещение шага решетки меняет полярность распределения электромагнитного поля в месте сдвига. Дальнейшее увеличение числа смен повторяет обращение электромагнитного поля. Ясно, что распределением электромагнитного поля в плоскости можно управлять различными способами путем соответствующей конструкции фотонного кристалла.
Мы изготовили устройства с различными фотонно-кристаллическими структурами, как показано на рис. Рис 5 (а) –5(е) . Во всех этих устройствах наблюдалась генерация генерации при комнатной температуре с устойчивой одиночной модой. На правых панелях рис. 5(a)–9(f) показаны соответствующие измеренные диаграммы направленности. Был получен интересный набор узоров в диапазоне от формы одного пончика до двойного пончика, четырехкратного пончика и правильных круглых форм. Расходимость луча была чрезвычайно узкой, что отражало тот факт, что это когерентные лазерные колебания большой площади. Устройство на рис. 5(а) имеет правильные круглые отверстия, и соответствующее распределение электромагнитного поля демонстрирует четко определенную вращательную симметрию, как показано на рис. 4(а). Когда лазерный свет, соответствующий этому распределению электромагнитного поля, выводится в свободное пространство, электромагнитное поле в центре луча нейтрализуется, образуя луч в форме пончика. С другой стороны, отверстия треугольной решетки (рис. 5(f)) устраняют вращательную симметрию распределения электромагнитного поля, как показано на рис. 4(b). Эффект подавления в центре луча на рис. 4(а) также теряется, что приводит к чистой круговой диаграмме направленности. В этом случае поляризация тоже другая, будучи линейной. Внедрение такого несимметричного эффекта является ключевым фактором в достижении высокой выходной оптической мощности за счет повышения эффективности оптического извлечения в перпендикулярном направлении, как описано в следующем разделе. Обратите внимание, что в следующем разделе значительно асимметричная структура в виде отверстий для воздуха в форме равнобедренного треугольника использовалась для работы с гораздо большей мощностью.
Рис. 3. Картина ближнего поля со спектрами генерации в различных точках прибора.
Рис. 4 Картина ближнего поля со спектрами генерации в различных точках прибора. Распределение электромагнитного поля в различных лазерах на фотонных кристаллах. Черные стрелки представляют собой электрическое поле, а штриховка указывает на магнитное поле в направлении, перпендикулярном бумаге. Распределение поля вокруг узлов решетки показано для (а) узлов круглой решетки и (б) узлов треугольной решетки. Распределения поля по всему кристаллу показаны для круговых узлов решетки с (в) отсутствием фазового сдвига, (г) одним фазовым сдвигом в направлении х, (д) двумя фазовыми сдвигами в направлении х, (е) одним фазовым сдвигом в обоих направлениях и (g) два фазовых сдвига в обоих направлениях. Фаза в каждой области смещалась через границу, где вводился фазовый сдвиг.
Рис. 5 Электронные микрофотографии (левые панели) и полученные диаграммы направленности (правые панели) изготовленных фотонных кристаллов, используемых для создания лазеров. Фотонные кристаллы с круглыми точками решетки показаны с (а) отсутствием смещения периода решетки, (б) одним сдвигом решетки в одном направлении, (в) двумя сдвигами решетки в одном направлении, (г) одним сдвигом решетки в обоих направлениях и д) два сдвига решетки в обе стороны. (f) Точки треугольной решетки без фазового сдвига.
Мощные фотонно-кристаллические лазеры с высоким качеством пучка ваттного класса
В предыдущем разделе фотонный кристалл был встроен в устройство методом соединения пластин, где связанный интерфейс может содержать множество дефектных состояний, которые поглощают лазерный свет и затрудняют работу с высокой мощностью. Чтобы избежать такого ухудшения характеристик, мы изменили метод введения фотонного кристалла в устройство с соединения пластины на метод выращивания кристаллов, такой как металлоорганическая парофазная эпитаксия (OMVPE) [10,11], и обнаружили, что воздушные отверстия фотонный кристалл может быть сохранен даже методом выращивания кристаллов. Рисунок 6 (а) показана схема устройства, изготовленного двухстадийным ОМФЭ. Обратите внимание, что направление роста было нисходящим. На рис. 6(b) показано изображение фотонного кристалла с воздушными отверстиями в форме равнобедренного треугольника до роста кристалла, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) в плане. Типичное СЭМ-изображение в поперечном сечении ряда воздушных отверстий, заделанных OMVPE, показано на рис. 6 (с). Хорошо видно, что вентиляционные отверстия были удачно встроены в устройство, где вентиляционные отверстия сужаются к нижней стороне устройства, тогда как верхние части вентиляционных отверстий сохраняют почти однородную форму с вертикальными боковыми стенками.
Затем я описываю характеристики генерации изготовленного устройства [12] при комнатной температуре (RT) в непрерывном режиме (CW). Соответствующие экспериментальные результаты показаны на рис. Рис 7(а) – (в). Максимальная выходная мощность непрерывного излучения 1.5 Вт при токе 2.5 А была достигнута при использовании узкого однолепесткового луча с малой расходимостью. При выходной мощности менее 0.5 Вт качество пучка количественно оценивали, измеряя значение М2. Известно, что для идеального гауссова луча М2 равно единице, но оно увеличивается, когда качество луча ухудшается из-за поперечной многомодовости. Измерения M2 были выполнены в условиях непрерывного излучения при комнатной температуре, и мы обнаружили, что M2 поддерживается почти на уровне ~ 1.0 в обоих направлениях x и y до мощности до 0.5 Вт, что указывает на то, что фундаментальная одиночная поперечная мода сохраняется. . Обратите внимание, что угол расходимости луча был менее 3° даже при уровне мощности 1.5 Вт.
Лазеры с такой узкой расходимостью луча должны обеспечивать уникальные приложения, не требующие линз. Мы исследовали прямое облучение листа бумаги, расположенного на расстоянии 8.5 см от PCSEL, чтобы продемонстрировать такой безлинзовый потенциал при непрерывной работе при 25 °C. Световой выход был установлен на 0.86 Вт при силе тока 1.7 А. Бумага прогорела, образовав небольшое отверстие сразу после облучения, как показано на рис. Рис 8. Хотя это всего лишь простая демонстрация, она показывает потенциал приложений без линз.
Рис. 6 (а) Схема устройства, изготовленного двухступенчатым ОМФЭ. (b) СЭМ-изображение в плане фотонного кристалла с воздушными отверстиями в форме равнобедренного треугольника, сформированными с помощью электронно-лучевой литографии (JEOL JBX-6300FS) и сухого травления. ( c ) Типичное изображение SEM в поперечном сечении ряда отверстий для воздуха, встроенных OMVPE.
Рис. 7. Фотография, сделанная сразу после прямого облучения лазером листа черной бумаги, расположенного на расстоянии 8.5 см от прибора.
Генерационные характеристики устройства, изготовленного двухступенчатым ОМФЭ. (а) характеристики ВЛ, (б) спектры генерации и (в) картины дальнего поля при различных уровнях инжекции тока.
Рис. 8. Фотография, сделанная сразу после прямого облучения лазером листа черной бумаги, расположенного на расстоянии 8.5 см от прибора.
Заключение (или резюме)
Я описал текущее состояние и последние разработки в области фотонно-кристаллических лазеров. Показано, что краевой эффект двумерных фотонных кристаллов позволяет генерировать одиночные продольные и поперечные моды большой площади, а также полностью контролировать получаемые диаграммы направленности. Также было описано, что устройство с выходной мощностью более 1.5 Вт в режиме CW при комнатной температуре. Наша работа представляет собой важную веху для инноваций в области лазеров, поскольку она обеспечивает путь к преодолению ограничений в приложениях, которые страдают от низкого качества луча, что открывает двери для широкого спектра приложений в обработке материалов, лазерной медицине, нелинейной оптике, сенсорика и так далее.
Благодарности
Автор благодарит сотрудников Noda's Lab., Киотский университет и Rohm and Hamamatsu Photonics за сотрудничество. Эта работа была частично поддержана JST, ACCEL & CREST, C-PhoST, MEXT, Япония.
Рекомендации
[1] М. Имада, С. Нода, А. Чутинан, Т. Токуда, М. Мурата и Г. Сасаки: «Когерентное двумерное генерирование в лазере с поверхностным излучением и фотонно-кристаллической структурой с треугольной решеткой». заявл. физ. лат., Vol.75, стр. 316-318 (1999).
[2] С. Нода, М. Ёкояма, М. Имада, А. Чутинан, М. Мочизуки, «Управление режимом поляризации двумерного фотонно-кристаллического лазера путем проектирования структуры элементарной ячейки», Наука, Vol.293, стр. 1123-1125 (2001).
[3] М. Имада, А. Чутинан, С. Нода, М. Мочизуки, "Многонаправленно-распределенные фотонно-кристаллические лазеры с обратной связью", Физический обзор B, Том 65, № 19, стр. 195306 (2002).
[4] К. Сакаи, Э. Мияи, Т. Сакагути, Д. Ониши, Т. Окано и С. Нода, «Идентификация края полосы генерации для фотонно-кристаллического лазера с поверхностным излучением». Журнал IEEE по выбранной области коммуникаций, т.23, №7, стр. 1330-1334 (2005).
[5] Д. Ониши, Т. Окано, М. Имада и С. Нода, «Работа двумерного фотонно-кристаллического диодного лазера с непрерывным излучением при комнатной температуре», Оптика Экспресс, Vol.12, стр. 1562-1568 (2004).
[ 6 ] Э. Мияи, К. Сакаи, Т. Окано, В. Куниши, Д. Ониши и С. Нода, «Лазеры, создающие настраиваемые лучи», природа, Vol.441, № 7096, стр. 946-946 (2006).
[7] Х. Мацубара, С. Ёсимото, Х. Сайто, Ю. Цзянлинь, Ю. Танака и С. Нода, «ГаН-фотонно-кристаллический лазер с поверхностным излучением в сине-фиолетовом диапазоне длин волн», Наука, Том 319, No 5862, стр. 445-447, (2008).
[8] Ю. Куросака, С. Ивахаши, Ю. Лян, К. Сакаи, Э. Мияи, В. Куниши, Д. Ониши и С. Нода, «Фотонно-кристаллические лазеры с управлением лучом на чипе», ФОТОНИКА ПРИРОДЫ, Том 4, № 7, стр. 447-450 (2010).
[9] Ю. Лян, П. Чао, К. Сакаи, С. Ивахаши и С. Нода, «Трехмерная модель связанных волн для лазеров на фотонных кристаллах с квадратной решеткой и поперечной электрической поляризацией: общий подход», Физический обзор B, об. 84, нет. 19, 195119 (2011).
[10] Т. Сакагучи, В. Куниси, С. Аримура, К. Нагасе, Э. Мияи, Д. Ониши, К. Сакаи, С. Нода, «Фотонно-кристаллический лазер с поверхностным излучением и пиковой мощностью 35 Вт», Конференция по лазерам и электрооптике и Международная конференция по квантовой электронике 2009 г., CTuH1 (2009 г.).
[11] К. Хи Роуз, Ю. Куросака, А. Ватанабэ, Т. Сугияма, Ю. Лян и С. Нода, «Мощные фотонно-кристаллические лазеры с поверхностным излучением», 10-я конференция по лазерам и электрооптике. Тихоокеанское кольцо (CLEO-PR 2013), ThI1-4 (2013).
[12] М. Нисимото, К. Ишизаки, К. Маэкава, К. Китамура и С. Нода, «Рост с сохранением воздушной дыры с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии для изготовления фотонно-кристаллических лазеров на основе GaAs», Прикладная физика Экспресс, об. 6, нет. 4042002 (2013).
[13] К. Хиросе, Ю. Лян, Ю. Куросака, А. Ватанабэ, Т. Сугияма и С. Нода, «Мощные фотонно-кристаллические лазеры с высоким качеством луча ватт-класса», Nature Photonics, Vol.8, стр. 406–411 (2014). doi: 10.1038/ncomms4138.
Связанные товары
Вы медицинский работник или персонал, занимающийся медицинским обслуживанием?
Нет
Напоминаем, что эти страницы не предназначены для предоставления широкой публике информации о продуктах.