Сверхнизкопороговые поверхностно-излучающие ультрафиолетовые лазеры с полупроводниковыми нанонитями

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6633 (2023) Цитировать эту статью

555 доступов

Подробности о метриках

Полупроводниковые лазеры поверхностного излучения (SE) изменили нашу повседневную жизнь различными способами, такими как связь и зондирование. Расширение рабочей длины волны полупроводниковых лазеров SE до более короткого ультрафиолетового (УФ) диапазона длин волн еще больше расширяет возможности их применения в дезинфекции, медицинской диагностике, фототерапии и т. д. Тем не менее, реализация лазеров SE в УФ-диапазоне по-прежнему остается сложной задачей. Несмотря на недавний прорыв в области УФ-лазеров SE с нитридом алюминия-галлия (AlGaN), УФ-лазеры AlGaN с нанопроволокой с электрической инжекцией основаны на случайных оптических резонаторах, тогда как все УФ-лазеры AlGaN с вертикальным резонатором SE (VCSEL) основаны на оптической накачке и все с большими пороговыми плотностями мощности генерации в диапазоне от нескольких сотен кВт/см2 до МВт/см2. Здесь мы сообщаем о сверхнизкопороговой СЭ-генерации в УФ-спектральном диапазоне с использованием эпитаксиальных нанопроволочных фотонных кристаллов на основе GaN. Измерена генерация на длине волны 367 нм с порогом всего около 7 кВт/см2 (~ 49 мкДж/см2), что в 100 раз меньше по сравнению с ранее описанными традиционными AlGaN UV VCSEL на аналогичных длинах волн генерации. Это также первое достижение фотонно-кристаллических SE-лазеров на основе нанопроволоки в УФ-диапазоне. Кроме того, учитывая превосходное электрическое легирование, которое уже установлено в нанопроволоках III-нитрида, эта работа предлагает жизнеспособный путь для разработки давно востребованных полупроводниковых УФ-SE лазеров.

Полупроводниковые лазеры SE важны для различных областей, таких как фотоника, информационные и коммуникационные технологии, а также биомедицинские науки1,2,3,4,5,6. По сравнению с лазерами с торцевым излучением, SE-лазеры обладают рядом преимуществ, таких как низкая расходимость луча, круговая диаграмма направленности в дальнем поле, высокая скорость модуляции, возможность двумерной интеграции и т. д. 5, 7. За десятилетия разработок был создан арсенид галлия ( SE-лазеры ближнего инфракрасного (ИК) диапазона на основе GaAs превратились в индустрию стоимостью в миллиарды долларов, влияющую как на передачу данных, так и на 3D-зондирование, такое как распознавание лиц и получение изображений во время полета8,9,10,11,12. К сожалению, успех SE-лазеров в ближнем ИК-диапазоне не наблюдается в более коротких видимом и УФ-диапазонах спектра. Например, несмотря на обнадеживающий прогресс в создании синих и зеленых SE-лазеров на основе GaN в последние годы, они еще не достигли того же уровня зрелости, что и их аналоги в ближнем ИК диапазоне4, 10, 13,14,15, 16,17,18,19,20,21,22,23. В УФ-диапазоне ситуация отстает еще сильнее. Ни одна из существующих технологий не может удовлетворить потребности практического применения. Прорыв в разработке лазера UV SE имеет решающее значение для множества применений, связанных с нашей повседневной жизнью, включая дезинфекцию, медицинскую диагностику, фототерапию, лечение и 3D-печать с высоким разрешением24, 25.

В настоящее время предпринимаются многочисленные усилия по разработке УФ-лазеров SE с другими материальными системами, такими как органические полупроводники и оксид цинка (ZnO), а также с другими фотонными технологиями, такими как соединение нелинейной оптики с VCSEL на основе GaAs ближнего ИК-диапазона, например , Ссылки 26,27,28,29,30,31. AlGaN вызвал широкий интерес для разработки УФ SE-лазера из-за ряда преимуществ, таких как прямая, сверхширокая и настраиваемая энергия запрещенной зоны, химическая стабильность, механическая прочность, высокая компактность и т. д. Тем не менее, все продемонстрированные до сих пор УФ SE-лазеры AlGaN на нанопроволоке с электрической инжекцией основаны на случайных оптических резонаторах32,33,34,35, тогда как все УФ-лазеры AlGaN VCSEL используют оптическую накачку и все имеют большие пороговые плотности мощности генерации8, 11, 36,37 ,38,39,40,41,42,43,44,45. Например, пороговая плотность мощности для генерации с длиной волны менее 280 нм составляет 1,2 МВт/см239, и даже для генерации на более длинных волнах (например, около 400 нм) пороговая плотность мощности находится в диапазоне около 200–400 кВт/см211. , 40. Здесь мы демонстрируем сверхнизкопороговую генерацию SE в УФ-спектральном диапазоне с использованием эпитаксиальных фотонно-кристаллических (эпи-NPC) структур на основе GaN, которые не только преодолевают недостатки случайных оптических резонаторов с самоорганизующимися нанопроволоками, но и значительно смягчить проблемы, связанные с обычными AlGaN UV VCSEL. Показанная в этом исследовании УФ-генерация SE имеет длину волны 367 нм с порогом всего 7 кВт/см2, что в 100 раз меньше, чем у обычных AlGaN UV VCSEL. Использование SE-лазеров на основе фотонных кристаллов также потенциально может обеспечить однородность одномодового излучения на большой площади и другие преимущества, такие как луч по требованию12.