日亚公司和日本京都大学报告称，已将光子晶体面发射激光器（PCSEL）的功能扩展到可见光谱绿光波段 [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024]。

据研究人员描述，与蓝光PCSEL或绿光边发射激光二极管和垂直腔面发射激光二极管相比，绿光PCSEL的发展目前还处于“原始水平”。不过，研究团队希望这类器件能对材料加工、高亮度照明、显示等应用产生吸引力。

光子晶体（PC）使用折射率不同的材料的二维晶格结构来控制光学行为。研究人员对PCSEL有一个特别期待，即利用这种控制，使得输出功率更高时更易实现单模行为，从而提高光束质量。

研究人员评论道：“通过利用光子晶体的奇点（如Γ），PCSEL实现了垂直和横向单模振荡以及角度小于0.2°的低发散辐射光束。”PCSEL还能将光功率分散到较大谐振器体积上，从而避免强光密度造成的灾难性光损伤（COD）。

光子晶体是在PCSEL外延材料的p-GaN接触层中形成的，使用的填充材料是二氧化硅（SiO2），而不是以往研究中较为常见的空气（图1）。生长有源层后再创造光子晶体，就可以根据外延结构有源层的测得增益波长调整光子晶体的晶格常数（a）。

图1：基于GaN的绿光波长PCSEL的结构：（a）切割芯片的横截面；（b）（上）去除ITO电极后，p-GaN表面光子晶体的扫描电子显微镜（SEM）图像；（下）双晶格光子晶体设计方案。

用SiO2填充晶格可避免漏电流穿过晶格孔侧壁的导电粒子，从而使电流控制更加稳定，并减少寄生漏电流。SiO2还能提高光子晶体层的有效折射率，使导模向光子晶体移动，增强与光场的耦合。

使用SiO2存在一个缺点，即降低了光子晶体与GaN的折射率对比度，使光子晶体平面内的光波更难控制。为了弥补这一缺陷，研究人员增大了晶格孔的直径，并采用了双晶格结构，一个单元格由两个在x和y方向上偏移0.4a的晶格孔组成。研究人员表示，这样做是为了“即使填充光子晶体的p-GaN和SiO2间折射率对比度较低，也能获得足够的面内约束和耦合”。

光子晶体的形成过程包括在III族氮化物外延材料上沉积氧化铟锡（ITO）透明导体，然后用电感耦合等离子体反应离子蚀刻（ICP-RIE）钻出光子晶体的晶格孔，再利用等离子体化学气相沉积（CVD）填充SiO2。ITO材料已从结构中去除，只留下一个直径为300μm的圆形中心区域作为p-电极和p-GaN之间的导管。

研究人员报告称，根据扫描电子显微镜成像，光子晶体中的SiO2填充柱体中心含有一个小气孔。研究团队评论道：“气孔形状在光子晶体平面内是均匀的，因此认为气孔的存在不会对PCSEL的性能产生重大影响。”

完成该器件的制作过程前，需要对n-GaN层进行台面蚀刻，再沉积SiO2覆盖台面（中部ITO区域除外）；在顶部和底部表面分别沉积p-电极和n-电极；并在底部圆形激光输出区域涂上抗反射（AR）涂层。然后，器件被切割并翻转到子支架上进行性能测量。

在以1kHz重复频率产生500ns脉冲的5A注入电流下，光子晶体晶格常数a为210nm的器件实现了约50mW的最大输出功率。其电光转换效率（WPE）为0.1%。电流密度为3.89kA/cm2时达到激光阈值。斜率效率为0.02W/A。输出的激光为线性偏振光，偏振比为0.8。圆形远场图案（FFP）的发散角度为0.2°。激光波长为505.7nm。

光子晶体晶格参数a在210nm和217nm之间变化时，可以对激光波长进行一定程度的调节（图2）。217nm器件的最大发射波长为520.5nm。有源层的增益峰值约为505nm，因此波长较长时更难产生激光，导致阈值随光子晶体晶格常数的增大而增大。

图2：具有不同光子晶体晶格常数的器件的激光光谱。

研究人员还报告称，一些光子晶体晶格常数较高的器件发出带线形远场图案的平带激光。研究团队将这类平带激光归因于光子晶体结构的波动，以及光子晶体相对较低的耦合系数。

研究人员评论道：“通过优化光子晶体层和外延晶体层，可以改善电光转换效率。对光子晶体而言，通过优化几何结构，有望实现更强的面内耦合和垂直辐射。设计外延晶体层时，应最大限度提高光子晶体区域基础导模的强度，同时还要考虑注入载流子的非发光损耗。”

未来研究的一个迫切需要是实现连续波运行。

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