DE-102024116972-B4 - Großflächige oberflächenemittierende Hochleistungs-Einmoden-Vollhalbleiter-Photonischer-Kristall-Laser

Abstract

Photonischer-Kristall-Schicht, PC-Schicht, (100), für einen oberflächenemittierenden Photonischer-Kristall-Laser, PCSEL, (200), umfassend eine Halbleiterschicht (10), die aus einem ersten Halbleitermaterial besteht und einen strukturierten Bereich (12) umfasst, in dem eine Mehrzahl von benachbart angeordneten quadratischen PC-Einheitszellen (20) mit einer gemeinsamen Seitenlänge A eine periodische Brechungsindexmodulationsgitterstruktur ausbildet, wobei jede PC-Einheitszelle (20) ein symmetrisches gestrecktes gleichschenkliges Dreieck, SIT, (30) aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem niedrigeren oder höheren Brechungsindex als das erste Halbleitermaterial umfasst, wobei das SIT (30) eine Basislänge B und einen Basiswinkel θ aufweist, wobei die obere Ecke (31) des SIT (30) mit einer Ecke (21) der PC-Einheitszellen (20) zusammenfällt, wobei die Basislänge B zwischen 0,60A und 0,85A beträgt und der Basiswinkel θ zwischen 60° und 80° beträgt, und wobei die erste Basisecke (32) des SIT (30) und die zweite Basisecke (33) des SIT (30) sich außerhalb der PC-Einheitszelle (20) befinden oder jeweils mit einer Seite der PC-Einheitszelle (20) zusammenfallen.

Inventors

• Ben King
• Hans Wenzel
• Paul CRUMP
• Eduard Kuhn
• Mindaugas Radziunas

Assignees

• Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz- Institut für Höchstfrequenztechnik
• FORSCHUNGSVERBUND BERLIN E.V.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20240617

Claims (8)

1. Photonischer-Kristall-Schicht, PC-Schicht, (100), für einen oberflächenemittierenden Photonischer-Kristall-Laser, PCSEL, (200), umfassend eine Halbleiterschicht (10), die aus einem ersten Halbleitermaterial besteht und einen strukturierten Bereich (12) umfasst, in dem eine Mehrzahl von benachbart angeordneten quadratischen PC-Einheitszellen (20) mit einer gemeinsamen Seitenlänge A eine periodische Brechungsindexmodulationsgitterstruktur ausbildet, wobei jede PC-Einheitszelle (20) ein symmetrisches gestrecktes gleichschenkliges Dreieck, SIT, (30) aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem niedrigeren oder höheren Brechungsindex als das erste Halbleitermaterial umfasst, wobei das SIT (30) eine Basislänge B und einen Basiswinkel θ aufweist, wobei die obere Ecke (31) des SIT (30) mit einer Ecke (21) der PC-Einheitszellen (20) zusammenfällt, wobei die Basislänge B zwischen 0,60A und 0,85A beträgt und der Basiswinkel θ zwischen 60° und 80° beträgt, und wobei die erste Basisecke (32) des SIT (30) und die zweite Basisecke (33) des SIT (30) sich außerhalb der PC-Einheitszelle (20) befinden oder jeweils mit einer Seite der PC-Einheitszelle (20) zusammenfallen.
2. PC-Schicht (100) nach Anspruch 1 , wobei sich der erste Brechungsindex n 1 des ersten Halbleitermaterials und der zweite Brechungsindex n 2 des zweiten Halbleitermaterials um zwischen 2 % und 35 % unterscheiden.
3. PC-Schicht (100) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei es sich bei dem ersten Halbleitermaterial um GaAs und bei dem zweiten Halbleitermaterial um InGaP handelt; oder um GaAs und AlAs, GaAs und AlGaAs, InP und AllnAs, InP und InGaAsP, oder wobei allgemeiner zwei beliebige Halbleiterverbindungen aus den Al-In-Ga-As-P-Sb-N-Verbindungshalbleitermaterialsystemen als erstes Halbleitermaterial und zweites Halbleitermaterial kombiniert sind.
4. PC-Schicht (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der strukturierte Bereich (12) einen Durchmesser D > 0,5 mm aufweist und/oder eine Dicke d der PC-Schicht zwischen 50 nm und 1.000 nm beträgt.
5. PC-Schicht (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Seitenlänge A zwischen 100 nm und 1.000 nm beträgt.
6. Oberflächenemittierender Photonischer-Kristall-Laser, PCSEL, (200) umfassend: eine PC-Schicht (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche; eine aktive Schicht (110) und eine Filterschicht (120) mit einem wellenlängenselektiven Element, wobei die PC-Schicht (100), die aktive Schicht (110) und die Filterschicht (120) eine gestapelte Schichtstruktur ausbilden, die derart ausgestaltet ist, dass eine von der aktiven Schicht (110) emittierte elektromagnetische Strahlung in die gestapelte Schichtstruktur eingekoppelt und darin geleitet wird.
7. PCSEL (200) nach Anspruch 6 , wobei die Seitenlänge A der PC-Einheitszellen (20) einer Periode eines Gitters zweiter Ordnung zum Reflektieren einer Emissionswellenlänge des PCSEL (200) entspricht.
8. PCSEL (200) nach Anspruch 6 oder 7 , wobei das wellenlängenselektive Element einen verteilten Bragg-Reflektor, DBR, zum Reflektieren einer Emissionswellenlänge des PCSEL (200) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Photonischer-Kristall(PC)-Schicht für einen oberflächenemittierenden Photonischer-Kristall-Laser (PCSEL) und einen großflächigen Hochleistungs-Einmoden-Vollhalbleiter-PCSEL mit einer solchen PC-Schicht. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen verbesserten PCSEL, der eine kleine eindimensionale (1D) Rückkopplung, eine große zweidimensionale (2D) Rückkopplung und eine große Modendiskriminierung aufgrund einer speziell optimierten PC-Einheitszellengestaltung der PC-Schicht aufweist. Technologischer Hintergrund Einmoden-Diodenlaser-Emitter mit einem schmalen Fernfeld < 1°, einer schmalen spektralen Breite < 1 nm, einer hohen Leistungsumwandlungseffizienz > 50 % und einer hohen Dauerstrichleistung (CW-Leistung) (mehrere 10 W) werden für viele Anwendungen benötigt. Mit herkömmlichen Diodenlasertechnologien ist es jedoch schwierig, Diodenlaser bereitzustellen, die für alle diese Parameter optimiert sind. Beispielsweise benötigen einzelne GaAs-basierte Kantenemitter mit lateralen Einmoden-Wellenleitern (z. B. Stegwellenleitern), deren Wellenlänge anhand von externen oder internen Gittern stabilisiert wird, in der Regel kostenintensive Kollimationsoptiken für schmale Fernfelder und liefern eine CW-Leistung von < 5 W (vgl. M. Wilkens et al., „Externally Wavelength-Stabilized Single Mode Lasers with 65% Conversion Efficiency und 50 pm Spectral Width at 1 W Output,“ Proc. 2021 Conference on Lasers und Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), München, Deutschland, 2021, S. 1-1). Einzelne oberflächenemittierende Multi-Junction-Einmoden-Laser mit vertikaler Hohlraumanordnung (engl. „vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs“) liefern in der Regel nur eine geringe Leistung < 20 mW und benötigen ebenfalls kostenintensive Kollimationsoptiken für den Betrieb im schmalen Fernfeld (vgl. M. M. Dummer et al., „Single-mode multi-junction VCSELs with integrated transverse mode filter“, Proc. SPIE 12439, 1243908 (2023)). In den letzten Jahrzehnten hat sich eine relativ neue Diodenlasertechnologie entwickelt, die auf so genannten oberflächenemittierenden Photonischer-Kristall-Lasern (engl. „photonic crystal surface emitting lasers, PCSELs“) basiert. PCSEL haben aufgrund ihrer Fähigkeit, herkömmliche Halbleiterlaser zu übertreffen, indem sie eine hohe Ausgangsleistung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Einmoden-Emission bieten, große Aufmerksamkeit erregt. Bei PCSEL handelt es sich um einen modernen Typ oberflächenemittierender elektrisch gepumpter Halbleiterlaser, die eine zweidimensionale Photonischer-Kristall(PC)-Struktur verwenden, die sowohl einen In-Plane-Laserresonator ausbildet als auch das Licht aus der Laserebene herausbeugt, um eine nahezu beugungsbegrenzte Oberflächenemission zu erreichen. Die grundlegende Architektur eines PCSEL umfasst eine zweidimensionale PC-Struktur, die als ein In-Plane (lateraler) Hohlraum dient. Diese Struktur besteht im Wesentlichen aus einer dünnen Schicht aus einem Halbleitermaterial (z. B. GaAs, GaN oder InP), die ein Muster (z. B. quadratisch oder dreieckig) aus Luftlöchern umfasst, das sich über einen bestimmten Bereich erstreckt. Vorzugsweise wird das Licht aus dem Substrat der Vorrichtung emittiert, weshalb das Halbleitermaterial für die Laserstrahlung transparent (nicht absorbierend) sein muss. Durch Koppeln der PC-Struktur mit einer dünnen aktiven Schicht unter der PC-Schicht wird eine Laserverstärkung durch stimulierte Emission erreicht. In der Regel ist der aktive Bereich nur durch eine dünne wellenleitende Schicht von der PC-Struktur getrennt. PCSEL haben erhebliche Fortschritte gemacht, einschließlich der Demonstration großflächiger kohärenter Oszillation, der Steuerung von Strahlenmustern, der Demonstration von Strahllenkung und der Realisierung eines Betriebs im Watt-Bereich und mit hoher Strahlenqualität. Aufgrund von Verlusten, die mit der auf Luftlöchern basierenden PC-Technologie verbunden sind, ist jedoch der Wirkungsgrad in der Regel gering. So bieten beispielsweise kürzlich vorgestellte PCSEL mit großer Apertur (3 mm), die auf Doppelgitter-PC-Designs mit Luftlöchern basieren, eine Leistungsumwandlungseffizienz von etwa 30 % (M. Yoshida et al., „High-brightness scalable continuous-wave single-mode photonic-crystal laser“, Nature 618, 727-732 (2023)). Wenngleich kantenemittierende Vollhalbleiter-DFB-Laser aufgrund der Gittertechnologie mit vernachlässigbaren Verlusten herstellbar sind (vgl. C. M. Schultz et al., „In situ etched gratings embedded in AlGaAs for efficient high power 970 nm distributed feedback broad-area lasers“, Applied Physics Letters 100, 201115 (2012)), sind sie bisher nicht als großflächige PCSEL mit konventionellen PC-Designs realisierbar, da sie einen niedrigen Indexkontrast aufweisen und das Ätzen sehr kleiner Strukturen schwierig ist, was in der Regel zu einem hochgradig multimodalen Betrieb großflächiger PCSEL führt. Es besteht dah