垂直方向の空間コヒーレンスを自発的に実装 - 済南溶接アシスタント株式会社

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21629 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

空間的に均一なスペクトルを示す垂直共振器面発光モードの 14 ユニットからなる自己誘起空間コヒーレントドットアレイを報告します。 47.5 µm の合計ビーム幅と 0.5° の狭い放射は、平らな上部ミラー、円筒状に湾曲した下部ミラー、および側面ファセットで囲まれた長方形のキャビティを使用して達成されます。特に、キャビティの側面を垂直ファセットで終端すると、モードを非局在化する注入同期レーザーのマスターレーザーの場合と同様に、各ドットの垂直共振と結合する水平伝播が強化されます。従来の半導体レーザー、端面発光レーザー、垂直共振器面発光レーザーにはファブリ・ペロー共振器があります。さらに、放射と共鳴は同じ方向にあるため、ビーム幅がマイクロメートルに制限されます。現在の構造は同じ伝播スキームを持っていますが、直角ファセットがモードを同期させ、ビーム幅を大幅に拡大します。

レーザーの起源は、アインシュタインの誘導放出 1 の予測にまで遡ることができ、反転分布によってレーザー発振が可能になります。ほとんどの半導体レーザー研究者は、レーザーの研究がキャリアと光を狭い領域に閉じ込めるより良い方法につながると信じています。したがって、端面発光レーザー (EEL)2、3 や垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) などの広く使用されている半導体レーザーは、高い光閉じ込めと小さなビームウェスト (約 10 ミクロン未満) を備えています。したがって、これらのレーザーの消費電力は無視でき、光ディスクドライブ、コンピューターマウス、レーザープリンター、プロジェクターなどの産業用または家庭用電子機器の内部に組み込まれています4。ただし、この高い閉じ込めにより、回折により放射角が広くなります5。これに関連して、これらのレーザーでは、多くの産業用途で放射ビームを狭めるために追加の光学部品が必要となり、システム全体のサイズと製造コストが増加します。したがって、少ない電力消費で狭い発光を可能にする新しい共振器構造を見つけることは、非常に興味深い。

フォトニック結晶面発光レーザー (PCSEL)6 は、前述の要件を満たす候補の 1 つです。 PCSEL 内の光は面内方向に伝播し、サブ波長サイズの空孔の周期的な 2D アレイによって変調された共鳴を達成します。周期的な穴は、面内を移動する光子を垂直方向に向けます。このデバイスは、0.1° という非常に狭い放射角度とスーパーワットクラスの出力を備えたサブミリメートル幅のビームを可能にします7。代替案は、単一のレーザー (「マスター」レーザー) がレーザーの集合 (「スレーブ」レーザー) 間のコヒーレンスを誘発する注入ロックレーザーアレイです 8,9。これにより、VCSEL アレイの位相が同期され、比較的狭いビームが放射されます10。これらのアレイは、従来の単一エミッターレーザーを使用して達成されたものと比較して、ビームの幅を大幅に変更することにより、驚くべき結果を示しました。ただし、このようなアレイにはいくつかの産業上の課題が伴います。たとえば、PCSEL はサブ波長構造であるため、大量生産が困難です。電流注入に対応する面積が大きいため、熱管理が複雑になります。さらに、注入同期レーザーは、2 つの非モノリシックレーザーの存在により複雑さが増します。

自己結合レーザーのコヒーレントアレイは、前述の問題に対するもう 1 つの潜在的な解決策です 11。このアプローチでは、レーザーを互いに近づけて構築することでレーザー間のコヒーレンスを生み出します。このようなアレイは、エバネッセント場と各レーザーユニットから放射される回折光に基づく光結合を使用する VCSEL で集中的に研究されてきました。これらは、サブ波長構造や複数の非モノリシックレーザーなしでも機能します。エミッタをリング状に配置すると、ビームウエスト 12 が広がり、エミッタに囲まれた内部を空にすることで発熱が減少し、放射が狭くなります。自己誘起コヒーレントアレイの残りの欠点の 1 つは、結合を確立する際の複雑さです。たとえば、エバネッセント場の空間分布を予測して効率的に結合できるように、VCSEL 間の間隔を慎重に設計する必要があります。さらに、エミッタがコヒーレンスを達成するのに十分均一に動作する電流レベルを設定することは困難です。したがって、個々の VCSEL を制御することは困難です。場合によっては、個々の発光体に複数の配線を設ける必要があります。ただし、エミッターの数を増やすと、その制御が急激に悪化する可能性があります。したがって、アレイ内の VCSEL の最大数は制限されており 13、幅は約 10 μm12 です。

99.9%, respectively. Those devices are fabricated over (0001) plane of GaN substrate. The x-, y-, and z-directions of the GaN substrate are \(\left\langle {{1}{-}{1}00} \right\rangle ,\left\langle {{11}{-}{2}0} \right\rangle ,{\text{ and}}\left\langle {000{1}} \right\rangle\), respectively. The fabricated devices have the structure shown in (b). Thus, a cleaved facet was introduced along the dashed line. (c, d) are the images of device shown in (b) with and without facet. Additional mechanical damage was introduced in the facet shown in (d) by the hitting a probe for measurement. These are recorded under pulsed current injection above the threshold current (RT, 1 µs, 0.1%, 17.7 k/cm2). (e) show schematics of conventional semiconductor lasers, edge emitting lasers, VCSELs, PCSELs and the present one./p> 99.99%19, was deposited to form the curved and cylindrical mirrors. Finally, the device was diced and mounted on a ⌀9 TO-CAN package without sub-mounts in the p-up configuration./p>