Научная фантастика является источником множества невероятных технологий, некоторые из которых уже давно перебрались в наш реальный мир, другие же пока остаются на страницах книг. Какие-то из этих технологий имеют очень специфическое описание, функционал и, как следствие, не так популярны среди читателей, но есть и те, без которых невозможно представить выдуманный футуристический мир: роботы, телепортация, гипердвигатели, клонирование, голограммы, лазеры и многое-многое другое. Касательно лазеров, то они во многом изменили наш мир, став неотъемлемой частью многих устройств, используемых как в быту, так и в лабораторных условиях. Человек может знать крайне мало о лазерах, но одно известно практически всех — они опасны. Ожоги и потеря зрения одни из самых распространенных травм при работе с лазерами, степень повреждений варьируется от мощности лазера. Но что если сделать лазеры безопасными, сохранив при этом их эффективность? Именно это и сделали ученые из Иллинойсского университета (США). Они создали первый в мире кристаллический лазер, который работает при комнатной температуре и является безопасным для глаз. Как именно им это удалось, и на что способен новый безопасный лазер? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Фотонно-кристаллические лазеры с поверхностным излучением (PCSEL от photonic-crystal surface-emitting lasers) появились как новый класс полупроводниковых лазеров, обладающих превосходным качеством излучения, одновременно устраняя узкие места, связанные с масштабированием мощности, характерные для традиционных лазеров с торцевым или вертикальным резонатором и излучением с поверхности (VCSEL от vertical-cavity surface-emitting laser). Вместо резонатора Фабри-Перо, в PCSEL используется двумерный слой фотонного кристалла (PhC от photonic crystal), встроенный в активную область, который дифрагирует и связывает свет, формируя двумерную стоячую волну, которая затем усиливается усиливающим материалом. Благодаря правильной конструкции элементарной ячейки PhC часть этого света рассеивается в вертикальном направлении, в идеале формируя одну гауссову моду на требуемой длине волны.
PhC позволяет сохранять единственную гауссову моду даже при увеличении размеров резонатора PCSEL. Таким образом, основное преимущество PCSEL заключается в возможности масштабирования выходной мощности за счет увеличения объема активной области при сохранении одной лазерной моды, что, в свою очередь, позволяет значительно повысить яркость лазера. Ранее разработанные PCSEL на основе GaAs демонстрировали выходную мощность в несколько десятков ватт при угле расходимости менее 1°. Для сравнения: VCSEL с одной гауссовой модой обычно обеспечивает мощность всего в несколько милливатт при угле расходимости от 6 до 11°. Благодаря такому качеству излучения PCSEL становятся привлекательным источником без использования линз для таких приложений, как LiDAR, оптическая связь, обработка материалов и направленная энергия. Для реализации в различных диапазонах длин волн в конструкции PCSEL применяются различные структуры фотонных кристаллов с разнообразной формой элементарных ячеек и различными полупроводниковыми материалами.
Изображение №1
Новые демонстрации возможностей PCSEL переосмысливают пределы возможного для одиночного полупроводникового излучателя. Ранее уже сообщалось о выходной мощности 50 Вт в непрерывном режиме с сохранением угла расходимости 0.05° для одного PCSEL, а также о мощности 400 Вт в непрерывном режиме для массива из девяти элементов PCSEL на длине волны 940 нм. Эти PCSEL на основе GaAs используют фотонные кристаллы, состоящие из полостей с низким показателем преломления, заключенных в материал с высоким показателем, и, как правило, выращиваются методом металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD от metal-organic chemical vapor deposition). Трехмерная геометрия воздушных полостей тщательно оптимизирована как на этапе проектирования, так и в процессе изготовления, чтобы подавлять высшие моды и сохранять требуемые характеристики пучка на больших площадях. Для получения одинаковых, равномерных воздушных полостей (1a) необходимо учитывать такие параметры, как соотношение V/III, температура роста, скорость роста, кристаллографические различия и деформации, вызванные высокотемпературной предварительной обработкой.
PCSEL на основе InP (фосфида индия), в частности, все еще заметно отстают по выходной мощности от аналогичных устройств на основе GaAs из-за сложности самой материальной системы. При повышенных температурах материалы на основе InP также подвержены эффектам массового переноса, что приводит к деформации геометрии воздушных полостей и потенциальному ухудшению качества лазерного пучка со временем. Несколько исследовательских групп сообщили о трудностях с точной передачей заданных структур фотонных кристаллов в заглубленные воздушные полости InP-PCSEL, вызванных именно этим массовым переносом. Среди зафиксированных эффектов — деформация круглых отверстий в прямоугольные формы, нерегулярности в форме и размерах, асимметричные искажения, влияющие на работу устройства, а также вертикальные отклонения шаблона и вариации заполнения, зависящие от диаметра отверстий. Такие несоответствия затрудняют оптимизацию выходной мощности путем проектирования формы отверстий. Более того, эта локальная случайность при изготовлении и непреднамеренная неоднородность структуры фотонного кристалла могут особенно усиливаться при увеличении площади фотонного кристалла, что в итоге ухудшает качество пучка.
Для решения этих проблем авторы исследования предложили конструкцию PCSEL с заглубленным диэлектриком (1b), которая разработана для сохранения структуры фотонного кристалла (PhC) на всем протяжении эпитаксиального роста, а также потенциального повышения однородности, надежности и теплопроводности при эксплуатации в жестких условиях. Хотя замена воздушных полостей на заглубленный диэлектрик снижает контраст показателей преломления и, следовательно, ослабляет одномерные и двумерные коэффициенты связи, диэлектрические фотонные кристаллы не подвержены деформациям формы, описанным выше.
Таким образом, заглубленные диэлектрические PhC представляют собой промежуточный вариант между PhC с воздушными полостями (обеспечивающими высокий оптический контраст) и полностью полупроводниковыми PhC (которые лучше отводят тепло и обладают большей надежностью), при этом уникально избегая термически индуцированной деформации, наблюдаемой в обоих предыдущих вариантах. Метод бокового эпитаксиального надращивания (LEO от lateral epitaxial overgrowth) с «углублением» диэлектрических элементов ранее был продемонстрирован в GaAs с помощью MBE (молекулярно-пучковой эпитаксии) еще в 2019 году в труде «High-Quality GaAs Planar Coalescence over Embedded Dielectric Microstructures Using an All-MBE Approach». Авторы рассматриваемого нами сегодня исследования недавно адаптировали этот подход LEO для InP с использованием также MBE.
В данном труде описана первая демонстрация генерации лазерного излучения от фотонасоса в PCSEL с заглубленным диэлектриком, работающем при комнатной температуре на длине волны 1.5 мкм. Это первый в мире полупроводниковый лазер с полностью инкапсулированными диэлектрическими структурами в активной области, заменяющий стандартные воздушные полости или полностью полупроводниковые фотонные кристаллы.
Результаты исследования
Изображение №2
Выше показан профиль показателя преломления PCSEL с заглубленным диэлектриком и соответствующая фундаментальная ТЕ-мода (поперечно-электрическая мода). В идеале, чтобы усилить вертикальное излучение, необходимо максимизировать контраст показателей преломления между компонентами с высоким и низким показателями в слое фотонного кристалла (PhC). Поэтому в качестве низкопреломляющего материала был использован диэлектрик SiO2 (диоксид кремния). В предыдущей работе ученых была продемонстрирована возможность полного эпитаксиального надращивания полупроводника поверх твердого диэлектрического фотонного кристалла для изготовления PCSEL и зарегистрировано усиленное спонтанное излучение. Одним из ключевых требований при проектировании является достижение достаточно высокого перекрытия моды (modal overlap) между лазерной модой и слоем фотонного кристалла. Это перекрытие зависит как от взаимного расположения слоев PhC и активной области, так и от коэффициента заполнения (FF, fill factor — определяется как процент площади, занятой диэлектриком, от общей площади элементарной ячейки PhC).
Например, увеличение FF снижает среднее значение показателя преломления в PhC, что ведет к вытеснению оптической моды и снижению перекрытия. В случае с заглубленным диэлектриком FF можно легко регулировать, в отличие от воздушных полостей, размеры которых сильно зависят от условий роста и геометрии. Следует отметить, что уменьшение FF требует увеличения толщины диэлектрического слоя, чтобы сохранить модовое перекрытие с PhC. В исследуемой конструкции для PhC с FF = 13%, расположенного на 50 нм выше активной области, расчетное перекрытие с модой составляет 8%.
Изображение №3
Ученые изготовили заглубленные диэлектрические PCSEL-лазеры с коэффициентами заполнения (FF) 10% и 13% для экспериментов с фотонасосом, следуя технологическому процессу, показанному выше. Базовая коммерческая InP-эпитаксия выращена на n-типа подложке. Волнопровод из InGaAlAs с квантовыми ямами, настроенными на излучение в диапазоне 15xx нм, представлен на изображении №2. Слой SiO2 толщиной 214 нм осаждается методом плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD от plasma-enhanced chemical vapor deposition), а узоры фотонного кристалла (PhC) с решеткой из прямоугольных треугольников формируются с помощью электронно-лучевой литографии и переносятся на диэлектрик сухим травлением. Период решетки варьируется немного короче и длиннее значения a = 480 нм, чтобы получить излучение на длине волны 15xx нм.
Далее используется дополнительный шаг фотолитографии для открытия периферийного диэлектрического материала вокруг узоров PhC. Этот шаг обусловлен использованием положительного электронно-лучевого резиста и необходимостью обнажения поверхности InP для повторного наращивания. Как структуры PhC из SiO2, так и фоновые узоры травятся методом реактивного ионного травления с индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE от inductively coupled plasma reactive-ion etching) (4a).
Изображение №4
После формирования узоров PhC образцы очищаются плазмой кислорода и погружением в H2SO4 перед повторной эпитаксией методом молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE от molecular beam-epitaxy). Боковое эпитаксиальное наращивание InP проводилось в два этапа: первый — для достижения селективности, второй — для инкапсуляции диэлектрических элементов. После общего наращивания 900 нм InP все структуры PhC были полностью инкапсулированы; длины сторон диэлектрических треугольников составляли от 200 до 260 нм. Повторно выращенный слой InP был недопированным для обеспечения фотонасоса. На 4b и 4c показаны соответственно поперечное сечение и верхняя поверхность после повторного наращивания. Заряд, накапливающийся на заглубленных диэлектрических элементах во время сканирования, вызывает градиент на изображении поперечного сечения на 4b. Было достигнуто однокристаллическое наращивание, с небольшой границей, видимой на левом краю области с узором на 4c. Поликристаллический рост наблюдается на правом краю, где размеры диэлектрических элементов превышают длину боковой диффузии — в данном случае это частично протравленные элементы PhC, которые могли бы быть удалены на этапе фонового травления.
Наконец, вокруг каждого узора PhC были определены изоляционные меза-структуры, которые анизотропно протравливались с использованием хлорасодержащего ICP-RIE через активный слой. Получившиеся квадратные меза-структуры имели размеры 200 × 200 мкм и высоту ступени 1.6 мкм. Боковые стенки не были пассивированы для фотонасоса.
Ученые осуществляли фотонасос заглубленных диэлектрических PCSEL при комнатной температуре, используя насос с длиной волны 980 нм, сфокусированный на отдельных меза-структурах с помощью объектива ближнего ИК-диапазона. Диаметр пятна накачки составлял примерно 200 мкм, освещая всю поверхность меза-структуры PCSEL. Лазер накачки с длительностью импульса 300 нс и рабочим циклом 0.3% возбуждал устройство, установленное на стеклянной подложке или медном блоке без активного охлаждения. Спектры лазерного излучения собирались через длинноволновой фильтр в спектрометр с линейной матрицей InGaAs, охлажденный жидким азотом. Для съемки ближнего и дальнего поля использовались камеры InGaAs в диапазоне SWIR. Чтобы визуализировать дальнее поле, между объективом и поверхностью PCSEL был вставлен дихроичный фильтр, наклоненный вверх, чтобы проецировать свет с длиной волны 1.5 мкм на экран, размещенный на расстоянии 65 мм от образца. В результате PCSEL-структуры перестали освещаться равномерно из-за искаженного и вытянутого пучка накачки. Тем не менее такое расположение не помешало генерации лазерного излучения.
Изображение №5
Выше показаны характеристики лазерного излучения заглубленных диэлектрических PCSEL, включая среднюю выходную мощность, спектры излучения при пороге в сравнении с фотолюминесценцией эпитаксиального слоя, а также спектральные изменения при увеличении постоянной решетки.
Кривая зависимости выходной мощности от мощности оптической накачки на 5a изначально демонстрировала линейное увеличение выходной мощности от порога, которое насыщалось при более высоких уровнях накачки — как это типично для лазеров с поверхностным излучением. Порог генерации определялся путем одновременного анализа изменений морфологии ближнего поля и появления резких, узких пиков в спектрах (5b). Максимальный уровень излучения ограничивался рабочим циклом накачки и перегревом образца при его увеличении, вплоть до прекращения лазерной генерации. Работу устройства удавалось восстановить при снижении рабочего цикла.
На 5b на пороге генерации появляются узкие лазерные пики со средней спектральной шириной около 0.25 нм. Длина волны пиков линейно возрастала в зависимости от постоянной решетки и длины стороны диэлектрического прямоугольного треугольника (5c). Коэффициент заполнения (FF) оставался постоянным на уровне 13%, при этом постоянная решетки варьировалась от 456 до 485 нм. Полученные длины волн пиков соответствовали расчетным значениям, со средним отношением a/λ = 0.311. Устройства с постоянной решетки более 485 нм не генерировали лазерное излучение, так как их резонансные длины волн выходили за пределы спектра усиления материала. Пороговая плотность мощности накачки соответствовала результатам для фотонасосных PCSEL с воздушными полостями, и не показывала четкой зависимости для устройств с разными постоянными решетки. Теоретически ожидается, что устройства с наименьшей постоянной решетки и длиной волны пика будут иметь более низкий порог, благодаря лучшему совпадению с максимумом усиления материала.
Изображение №6
Наличие лазерной генерации дополнительно подтверждается наблюдением распределения излучения в дальнем поле, где видны пятна с расходимостью ≤ 2° при плотности мощности накачки 14.2 кВт/см2. Различия между горизонтальной и вертикальной поляризованными компонентами также подтверждают наличие лазерного излучения, как показано на 6b и 6c соответственно. За центральным пятном на 6a наблюдается крестообразная структура излучения с расходимостью около 30°, указывающая на одномерные лазерные колебания и неоптимизированное перекрытие мод. Вертикальные и горизонтальные компоненты этого "креста" поляризованы, о чем свидетельствует их разделение на фонах 6b и 6c. На 6d показано устройство с уменьшенными крестообразными компонентами при постоянной решетки 456 нм, что соответствует максимуму усиления материала. Такие крестообразные компоненты могут быть дополнительно подавлены за счет оптимизации конструкции устройства с целью увеличения коэффициента двумерной связи относительно одномерной, тем самым уменьшая 1D-осцилляции. Это можно достичь путем увеличения толщины слоя фотонного кристалла (PhC) для усиления модового перекрытия, либо путем изменения самого узора фотонного кристалла, в зависимости от базовой структуры устройства.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые впервые в мире продемонстрировали фотонасосную лазерную генерацию от заглубленного диэлектрического PCSEL при комнатной температуре с излучением на длине волны 1.5 мкм. Эта новая конструкция PCSEL, в которой подмикронные заглубленные диэлектрические (SiO2) треугольники выступают в роли компонента с низким показателем преломления в фотонном кристалле.
Долгие годы исследовательская группа занималась изучением лазеров VCSEL, которые повсеместно используются в смартфонах, принтерах, сканерах штрих-кодов и т. д. Однако с 2020 года они перенаправили свое внимание на PCSEL — лазеры с поверхностным излучением на основе фотонного кристалла.
PCSEL является новинкой в области полупроводниковых лазеров, где используется фотонный кристалл для формирования лазерного пучка с желаемыми характеристиками: высокой яркостью и узким, круглым пятном.
Классические PCSEL изготавливаются с воздушными полостями, которые встраиваются в устройство после повторного наращивания полупроводникового материала вокруг их границ. Проблема в том, что атомы полупроводника имеют тенденцию перераспределяться и заполнять эти полости, что нарушает целостность и однородность структуры фотонного кристалла. Авторы исследования решили эту проблему путем замены воздушных полостей на твердый диэлектрический материал, а именно диоксид кремния (SiO2). Он выступил в роли низкопреломляющего компонента.
Ученые уверены, что в ближайшие десятилетия подобного рода лазеры будут использоваться в самых разных сферах, от лазерной резки до беспроводной оптической связи. Пока они намерены продолжить работу над своей разработкой для ее совершенствования.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?