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O desempenho óptico dos lasers verdes é muito melhorado

2022-03-30

O laser é considerado uma das maiores invenções da humanidade no século XX, e seu surgimento promoveu fortemente o progresso da detecção, comunicação, processamento, exibição e outros campos. Os lasers semicondutores são uma classe de lasers que amadurecem mais cedo e progridem mais rapidamente. Eles têm as características de tamanho pequeno, alta eficiência, baixo custo e longa vida útil, por isso são amplamente utilizados. Nos primeiros anos, lasers infravermelhos baseados em sistemas GaAsInP lançaram a pedra fundamental da revolução da informação. . O laser de nitreto de gálio (LD) é um novo tipo de dispositivo optoeletrônico desenvolvido nos últimos anos. O laser baseado no sistema de material GaN pode expandir o comprimento de onda de trabalho do infravermelho original para todo o espectro visível e espectro ultravioleta. Processamento, defesa nacional, comunicação quântica e outros campos têm mostrado grandes perspectivas de aplicação.
O princípio da geração do laser é que a luz no material de ganho óptico é amplificada por oscilação na cavidade óptica para formar luz com fase, frequência e direção de propagação altamente consistentes. Para lasers semicondutores do tipo cume emissor de borda, a cavidade óptica pode confinar a luz em todas as três dimensões espaciais. O confinamento ao longo da direção de saída do laser é obtido principalmente pela clivagem e revestimento da cavidade ressonante. Na direção horizontal O confinamento óptico na direção vertical é realizado principalmente usando a diferença de índice de refração equivalente formada pela forma da crista, enquanto o confinamento óptico na direção vertical é realizado pela diferença de índice de refração entre diferentes materiais. Por exemplo, a região de ganho do laser infravermelho de 808 nm é um poço quântico de GaAs e a camada de confinamento óptico é AlGaAs com baixo índice de refração. Como as constantes de rede dos materiais GaAs e AlGaAs são quase as mesmas, essa estrutura não atinge o confinamento óptico ao mesmo tempo. Podem surgir problemas de qualidade do material devido à incompatibilidade da treliça.
Em lasers baseados em GaN, AlGaN com baixo índice de refração é geralmente usado como a camada de confinamento óptico, e (In)GaN com alto índice de refração é usado como a camada de guia de onda. No entanto, à medida que o comprimento de onda de emissão aumenta, a diferença do índice de refração entre a camada de confinamento óptico e a camada de guia de onda diminui continuamente, de modo que o efeito de confinamento da camada de confinamento óptico no campo de luz diminui continuamente. Especialmente em lasers verdes, tais estruturas foram incapazes de confinar o campo de luz, de modo que a luz vazaria para a camada de substrato subjacente. Devido à existência da estrutura de guia de onda adicional da camada de ar/substrato/confinamento óptico, a luz que vazou para o substrato pode ser formada. Um modo estável (modo de substrato) é formado. A existência do modo substrato fará com que a distribuição do campo óptico na direção vertical não seja mais uma distribuição gaussiana, mas um "lóbulo do cálice", e a degradação da qualidade do feixe sem dúvida afetará o uso do dispositivo.

Recentemente, com base nos resultados de pesquisas de simulação óptica anteriores (DOI: 10.1364/OE.389880), o grupo de pesquisa de Liu Jianping do Instituto de Nanotecnologia de Suzhou, Academia Chinesa de Ciências propôs o uso de material quaternário AlInGaN cuja constante de rede e índice de refração podem ser ajustado ao mesmo tempo que a camada de confinamento óptico. O surgimento do molde de substrato, os resultados relacionados foram publicados na revista Fundamental Research, que é dirigida e patrocinada pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China. Na pesquisa, os pesquisadores primeiro otimizaram os parâmetros do processo de crescimento epitaxial para crescer heteroepitaxialmente camadas finas de AlInGaN de alta qualidade com morfologia de fluxo escalonado no modelo GaN/Sapphire. Posteriormente, o lapso de tempo homoepitaxial da camada espessa de AlInGaN sobre o substrato autoportante de GaN mostra que a superfície apresentará morfologia de crista desordenada, o que levará ao aumento da rugosidade da superfície, afetando assim o crescimento epitaxial de outras estruturas do laser. Ao analisar a relação entre o estresse e a morfologia do crescimento epitaxial, os pesquisadores propuseram que o estresse compressivo acumulado na camada espessa de AlInGaN é a principal razão para tal morfologia e confirmaram a conjectura aumentando as camadas espessas de AlInGaN em diferentes estados de tensão. Finalmente, aplicando a camada espessa de AlInGaN otimizada na camada de confinamento óptico do laser verde, a ocorrência do modo de substrato foi suprimida com sucesso (Fig. 1).

Figura 1. Laser verde sem modo de vazamento, (α) distribuição de campo distante do campo de luz na direção vertical, (b) diagrama de pontos.

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