Konventionella halvledare-lasrar, såsom Fabry-Pérot (FP) kavitetslasrar, distribuerad feedback (DFB) -lasrar och vertikal-kavitetsytemitterande lasrar (VCSEL), kan inte samtidigt uppnå en-läge, med hög kraftutgång och en liten divergensvin Använd Bragg-diffraktion i tvådimensionella fotoniska kristaller för att uppnå högeffekt, enstaka laserutgång med en liten divergensvinkel (figur 1), vilket gör dem till en av de heta forskningsämnen både inhemskt och internationellt .}
Gallium nitride (GaN)-based semiconductor materials have a direct bandgap, with emission wavelengths spanning the visible to deep ultraviolet spectrum, offering advantages such as high luminous efficiency and excellent chemical stability, making them suitable for PCSEL fabrication. GaN-based PCSELs hold promising applications in emerging fields such as novel displays, material processing, laser lighting, underwater Kommunikation, interstellär kommunikation, chipatomklockor, djuputrymme, atomradar och lasermedicin, lockar utbredd uppmärksamhet .
Figur 1. Strukturdiagram, typiska avlägsna divergensvinklar och utgångsspektrala egenskaper hos FP-kantemitterande lasrar, DFB-kantemitterande lasrar, VCSEL och PCSEL .}
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 Till de blå och gröna ljusbanden . För närvarande har bara Japan uppnått elektrisk injektionsinducerad emission av GaN-baserade PCSels globalt .
In collaboration with the Key Laboratory of Semiconductor Display Materials and Chips and the Suzhou Laboratory, both established by the Suzhou Institute of Nanotechnology and Nanoscience of the Chinese Academy of Sciences, a GaN-based photonic crystal surface-emitting laser (PCSEL) was recently developed, and room-temperature electro-injection lasing was achieved.
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 direction Med användning av vinkelupplöst spektroskopi (figur 3) observerades det att: Vid låga injektionsströmmar är bandstrukturen tydlig, med läge C med högsta intensitet; När strömmen ökar förbättras intensiteten i icke-strålande läge B betydligt tills lasing inträffar . genom att mäta bandstrukturen, fastställdes att enhetens laser i det grundläggande läget B, med en läge halvbredd av ungefär 0 . 05 nm nära tröskeln.
Figur 2. (a) Schematiskt diagram över den GaN-baserade PCSEL-strukturen, (b) fotoniska kristallbandstruktur erhållna från optiska pumpningstester, och (c) yta och (d) tvärsnittsskanningselektronmikroskopbilder av den fotoniska kristallen .}
Figur 3. (A-E) Bandstruktur för den GaN-baserade PCSEL i y-x-riktningen uppmätt vid olika injektionsströmmar, (f) kurva som visar variationen i toppvåglängden och spektral halvbredd för den GaN-baserade PCSEL med injektionsström .}
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 Cirka 170 MW. I nästa steg planerar teamet att använda högkvalitativa GAN-en-kristallsubstrat för att utforma en ny GAN-baserad PCSEL-struktur och övervinna utmaningar i PCSEL-enhetstillverkning och förpackning/termisk hanteringsteknik för att uppnå högeffekt (10–100 W) laserutmatning.
Bild 4. GaN-baserad PCSEL: (a) Elektroluminescensspektra vid olika injektionsströmmar, (b) Output Optical Power-Current-spänningskurvor, (c) Far-fältplats, och (d) före och (e) efter nära fältbilder av Gan-baserade PCsel Lasing .}
