Spontan umgesetzte räumliche Kohärenz in der Vertikalen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21629 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wir berichten über ein selbstinduziertes räumlich kohärentes Punktarray, das aus vierzehn Einheiten oberflächenemittierender Modi mit vertikalem Hohlraum besteht, die räumlich gleichmäßige Spektren aufweisen. Eine Gesamtstrahlbreite von 47,5 µm und eine schmale Emission von 0,5° werden durch einen länglichen Hohlraum erreicht, der von einem flachen oberen Spiegel, einem zylindrisch gekrümmten unteren Spiegel und einer Seitenfacette umgeben ist. Bemerkenswert ist, dass der Abschluss der Seite des Hohlraums mit einer senkrechten Facette die horizontale Ausbreitung verbessert, die mit der vertikalen Resonanz in jedem Punkt gekoppelt ist, ähnlich wie im Fall von Masterlasern in injektionsverriegelten Lasern, die die Moden delokalisieren. Herkömmliche Halbleiterlaser, kantenemittierende Laser und oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator verfügen über einen Fabry-Pérot-Resonator; Darüber hinaus sind Emission und Resonanz in identische Richtungen gerichtet, was die Strahlbreite auf Mikrometer begrenzt. Obwohl die vorliegende Struktur das gleiche Ausbreitungsschema aufweist, synchronisiert die rechtwinklige Facette die Moden und erweitert die Strahlbreite drastisch.

Der Ursprung von Lasern lässt sich auf Einsteins Vorhersage der stimulierten Emission1 zurückführen, wobei die Besetzungsinversion das Lasern ermöglicht. Die meisten Halbleiterlaserforscher glauben, dass die Laserforschung zu besseren Möglichkeiten führen wird, Ladungsträger und Licht auf einen kleinen Bereich zu beschränken. Dementsprechend weisen weit verbreitete Halbleiterlaser wie kantenemittierende Laser (EEL)2,3 und oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs) einen hohen Lichteinschluss und kleine Strahltaillen (ungefähr unter zehn Mikrometer) auf. Folglich haben diese Laser einen vernachlässigbaren Stromverbrauch und sind in Industrie- oder Unterhaltungselektronikgeräte wie optische Laufwerke, Computermäuse, Laserdrucker, Projektoren usw. eingebaut4. Dieser hohe Einschluss führt jedoch aufgrund der Beugung5 zu großen Emissionswinkeln. In diesem Zusammenhang erfordern diese Laser für viele industrielle Anwendungen zusätzliche optische Komponenten, um den Emissionsstrahl zu verengen, was die Größe und Herstellungskosten des gesamten Systems erhöht. Daher ist die Suche nach neuen Hohlraumstrukturen, die enge Emissionen bei geringem Stromverbrauch ermöglichen, von großem Interesse.

Photonische kristalloberflächenemittierende Laser (PCSELs)6 sind einer der Kandidaten, die die oben genannten Anforderungen erfüllen. Das Licht in PCSELs breitet sich in Richtung der Ebene aus, um eine Resonanz zu erreichen, die durch ein periodisches 2D-Array von Luftlöchern mit Subwellenlängengrößen moduliert wird. Die periodischen Löcher lenken die sich in der Ebene bewegenden Photonen in die vertikale Richtung. Dieses Gerät ermöglicht Strahlen im Submillimeterbereich mit einem sehr schmalen Abstrahlwinkel von 0,1° und Leistungen der Super-Watt-Klasse7. Eine Alternative sind injektionsverriegelte Laserarrays, bei denen ein einzelner Laser (der „Master“-Laser) Kohärenz zwischen einer Reihe von Lasern (den „Slave“-Lasern) induziert8,9. Dadurch wird die Phase von VCSEL-Arrays synchronisiert, um relativ schmale Strahlen auszusenden10. Diese Arrays haben außergewöhnliche Ergebnisse gezeigt, indem sie die Breite der Strahlen im Vergleich zu denen, die mit herkömmlichen Einzelemitterlasern erreicht werden, drastisch verändert haben. Allerdings bringen solche Arrays mehrere industrielle Herausforderungen mit sich. Beispielsweise ist die Massenfertigung von PCSELs aufgrund ihrer Subwellenlängenstrukturen schwierig. Die große Fläche, die der Stromeinspeisung entspricht, erschwert das Wärmemanagement. Darüber hinaus stoßen injektionsverriegelte Laser auf eine erhöhte Komplexität, da zwei nicht-monolithische Laser vorhanden sind.

Eine kohärente Anordnung selbstgekoppelter Laser ist eine weitere mögliche Lösung für das oben genannte Problem11. Dieser Ansatz schafft Kohärenz zwischen Lasern, indem er sie nahe beieinander anordnet. Solche Arrays wurden intensiv mit VCSELs erforscht, die eine optische Kopplung basierend auf evaneszenten Feldern und gebeugtem Licht nutzen, das von jeder Lasereinheit emittiert wird. Sie können ohne Subwellenlängenstrukturen oder mehrere nicht-monolithische Laser funktionieren. Durch die Anordnung der Emitter in einer Ringkonfiguration wird die Strahltaille12 verbreitert, die Wärmeerzeugung verringert, indem der von diesen Emittern umgebene innere Teil entleert wird, und die Emissionen werden schmaler. Ein verbleibender Nachteil eines selbstinduzierten kohärenten Arrays ist die Komplexität bei der Herstellung der Kopplung. Beispielsweise muss der Abstand zwischen den VCSELs sorgfältig gestaltet werden, um eine effiziente Kopplung durch Vorhersage der räumlichen Verteilung evaneszenter Felder zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es schwierig, einen Strompegel festzulegen, bei dem sich die Emitter gleichmäßig genug verhalten, um Kohärenz zu erreichen. Daher ist die Steuerung einzelner VCSELs eine Herausforderung. Manchmal müssen mehrere Verkabelungen für einzelne Lichtsender bereitgestellt werden. Allerdings kann eine Erhöhung der Anzahl der Emittenten deren Kontrolle exponentiell verschlechtern. Daher ist die maximale Anzahl von VCSELs in einem Array begrenzt13, mit einer Breite von etwa 10 µm12.

In diesem Artikel wird über ein selbstinduziertes räumlich kohärentes 1D-Punktarray berichtet, das 14 oberflächenemittierende Modi mit vertikaler Kavität enthält, die über 47,5 µm verteilt sind und eine einzigartige Kavitätsstruktur verwenden (siehe Abb. 1). Es enthält außerdem eine einzelne rechteckige Apertur mit einem flachen oberen und einem zylindrischen unteren Spiegel. Ein Ende der Öffnung endet mit einer senkrechten Facette, die durch Spalten des Gerätechips entlang der {11–20}-Ebene von GaN entsteht.

(a, b) zeigen schematische Darstellungen der für die vorliegende Studie verwendeten Geräte. (a) zeigt die standardmäßigen Referenz-VCSELs mit einem gekrümmten Spiegel auf einer Seite. (b) zeigt den in der vorliegenden Studie untersuchten VCSEL mit einer Zylinderlinse. Der Abstand zwischen dem oberen und unteren Spiegel beträgt 20–30 µm. Die Dicke von p-GaN beträgt etwa 100 nm. InGaN-Multi-Quantentopf (MQW) ist einschließlich der Barriereschichten etwa 20 nm groß. Somit ist der Rest des Hohlraums mit n-GaN besetzt. Der verteilte Bragg-Reflektor (DBR) auf der Ober- und Unterseite ist für ein Reflexionsvermögen von 99,7 % bzw. > 99,9 % ausgelegt. Diese Geräte werden über der (0001)-Ebene eines GaN-Substrats hergestellt. Die x-, y- und z-Richtungen des GaN-Substrats sind \(\left\langle {{1}{-}{1}00} \right\rangle ,\left\langle {{11}{-} {2}0} \right\rangle ,{\text{ und}}\left\langle {000{1}} \right\rangle\). Die hergestellten Geräte haben die in (b) gezeigte Struktur. Somit wurde eine gespaltene Facette entlang der gestrichelten Linie eingeführt. (c, d) sind die Bilder des in (b) gezeigten Geräts mit und ohne Facette. Zusätzlicher mechanischer Schaden wurde in der in (d) gezeigten Facette durch das Auftreffen auf eine Sonde zur Messung verursacht. Diese werden unter gepulster Stromeinspeisung oberhalb des Schwellenstroms (RT, 1 µs, 0,1 %, 17,7 k/cm2) aufgezeichnet. (e) zeigen Schaltpläne herkömmlicher Halbleiterlaser, kantenemittierender Laser, VCSELs, PCSELs und des vorliegenden Lasers.

Abbildung 2A zeigt das Nahfeldmuster (NFP). Die 14 Punkte verteilen sich über 47,5 µm mit einem durchschnittlichen Abstand von 3,7 µm. Diese Punkte füllten die Facettenseite der 67 µm breiten länglichen Öffnung. Die Halbwertsbreite (FWHM) im NFP in x-Richtung betrug 2,8 µm. Abbildung 2b zeigt das Fernfeldmuster des Geräts, wobei es zwei Spitzen mit einem FWHM von 0,64° und 0,56° in der y-Richtung und 5,2° in der x-Richtung gibt. Die beiden Peaks treten auf beiden Seiten eines räumlich kohärenten 1D-Arrays von VCSELs11 auf. Diese Muster, Punkte im NFP und Spitzen im Emissionswinkel zeigten während der Messung bei keinem aktuellen Niveau und an keinem in dieser Studie angegebenen Messpunkt eine offensichtliche Verschiebung. Abbildung 2c zeigt die räumliche Verteilung des für jeden Punkt beobachteten Spektrums. Die Positionen aller Peaks sind über alle 14 Punkte hinweg stabil. Die drei Peaks bei 443,7, 445,0 und 446,3 nm haben einen Abstand von 1,3 nm. Dies entspricht dem geschätzten longitudinalen Modenabstand bei einer Hohlraumlänge von 26,4 µm19. Die Hohlraumlänge wurde durch Querschnittsanalyse ermittelt (siehe Abb. 4c). Es zeigt an, dass der Lasermodus eine Resonanz in der vertikalen Richtung, dh in z-Richtung, aufweist. Die schwarze durchgezogene Linie in Abb. 3a ist die JV/L-Kurve des Geräts mit einer Facette. Es zeigte eine Schwellenstromdichte (Jth) von 9,0 kA/cm2. Dies weist darauf hin, dass diese 14 Punkte als räumlich kohärentes 1D-Array von oberflächenemittierenden Modi mit vertikalem Hohlraum wirken.

(a–c) sind NFP-, FFP- bzw. räumliche Verteilungen des Spektrums, das für das Gerät mit einer Facette erhalten wurde; (d–f) sind jeweils diejenigen des Geräts ohne Facette. Die vertikalen Farbspektren sind Intensitätsfarbachsen im linearen Maßstab mit willkürlichen Einheiten für (a–d).

(a, e) sind I-L-Kurven, die für die vorliegenden Geräte mit bzw. ohne Facette erhalten wurden. Jedes enthält eine VCSELs I-L-Kurve als Referenz zur Anzeige des Schwellenwerts. (b, d) sind NFP-Bilder, die knapp über dem Schwellenstrom ohne und mit einem Polarisator in x- und y-Richtung eines facettierten Geräts erhalten wurden. (f, h) sind diejenigen der Geräte ohne Facetten. (i) ist eine schematische Darstellung möglicher Polarisationssätze in der derzeit vorgeschlagenen Hohlraumstruktur.

Die Delokalisierung wird hauptsächlich durch die Einführung der Facette verursacht. Ohne die Facette erzeugte der laterale Modus keine kohärenten Punkte. Stattdessen wurde im NFP ein strukturloses flaches Muster erzeugt (siehe Abb. 2d), das ein breiteres Fernfeldmuster (FFP (Abb. 2e) und ein Spektrum ohne klare Längsmoden (Abb. 2f) erzeugte. Auch wenn einige relativ Die scharfen Peaks in Abb. 2f befinden sich in der Nähe der Peaks in Abb. 2c, die breiten Peaks nehmen den Großteil der beobachteten optischen Intensität ein. Darüber hinaus störte die Einführung einiger mechanischer Schäden an einer Facette in den facettierten Proben die Delokalisierung und hinterließ ein lokalisiertes chaotisches Muster (siehe). in Abb. 1d). Dies zeigt weiter, dass die Facette zur Delokalisierung des Modus beiträgt. Abbildung 3a–h zeigt das Polarisationsverhalten von Geräten mit und ohne Facette. Die Richtungen der elektrischen Felder im Facettengerät sind senkrecht zur Längsrichtung (x-Richtung) der Apertur. Im Gegensatz dazu war das nicht facettierte Gerät überwiegend in der y-Richtung polarisiert. Die horizontale Ausbreitung brachte keine Polarisation in der y-Richtung (senkrecht zur langen Seite der Apertur) mit sich. Somit könnte die vertikale Resonanz in den Geräten ohne Facetten niemals mit der horizontalen Ausbreitung gekoppelt werden und umgekehrt. Dies weist weiter darauf hin, dass eine Facette die Kopplung zwischen der vertikalen und horizontalen Ausbreitung verbessern könnte; Für ein grafisches Verständnis sehen Sie sich bitte Abb. 3i an. Dies impliziert, dass die horizontale Ausbreitung als „Master“-Laser in injektionsverriegelten Laserarrays fungiert, um alle „Slave“-Laser zu vereinen, d. h. in diesem Fall die Punkte, wobei die horizontale Ausbreitung die Phasen der vertikalen Resonanz im Rechteck effektiv mitnimmt und synchronisiert Öffnung.

Hohlräume mit parabolisch gekrümmten und planaren Spiegeln ermöglichen eine stabile Resonanz durch Einführung einer seitlichen optischen Eingrenzung14. Über den Betrieb von VCSELs mit solchen Hohlräumen wurde berichtet15. Der Krümmungsradius (ROC) korreliert mit der Breite des FFP des Geräts16,17. In der vorliegenden Studie beträgt die FWHM des FFP in der Richtung, die der kurzen Achse der Linse entspricht, 5,2°, was darauf hindeutet, dass der ROC etwa 150 µm betragen sollte. Es hat keinen wesentlichen Einfluss auf den ROC-Wert (123 µm), der durch Dimensionsanalyse ermittelt wurde (siehe Abb. 4a). Dies weist darauf hin, dass das Licht durch die Krümmung in x-Richtung der Linse begrenzt wird. Es eliminiert optische Verluste in dieser Richtung. Allerdings bleibt die Frage des optischen Verlusts in Richtung der Längsachse der Linse, wo nur eine flache Oberseite beobachtet wird (siehe Abb. 4b), ungelöst. Wir haben einen Standard-VCSEL mit einem gekrümmten Spiegel18,19,20 als Referenz für weitere Überlegungen erstellt. Dieses Gerät hatte einen gekrümmten Spiegel mit kreisförmiger Grundfläche anstelle einer zylindrischen (siehe Abb. 1a). Der Krümmungsradius des Referenzgeräts (123 µm) entsprach dem der kurzen Richtung der im vorliegenden Gerät verwendeten Zylinderlinse. Die J-L-Kurve dieses Geräts erscheint in Abb. 3d als gestrichelte Linie. Bemerkenswerterweise gibt es keinen offensichtlichen Unterschied im Jth der vorliegenden und Referenzgeräte. Dies zeigt, dass die vorliegende zylindrische Vorrichtung nicht unter einem erhöhten optischen Verlust in der Längsachsenrichtung leidet, selbst wenn flache Strukturen vorhanden sind. Somit hat die horizontale Ausbreitung zur Synchronisierung der Moden eine vernachlässigbare optische Leistung. Da die in Abb. 2a – e gezeigten Schwellenwerte für ungeordnete und geordnete Modi konsistent sind, sollte die Auswahl der Modi aufgrund der Facetteneinführung nicht durch Unterschiede im Schwellenwert verursacht werden. Dies bestätigt weiter die Meinung, dass die horizontale Ausbreitung transversale Moden im Gerät durch Injektionsverriegelung mit der Facette synchronisiert.

(a, b) sind Querschnittsprofile des zylindrischen Spiegels, die durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie erhalten wurden. (c) ist ein REM-Querschnittsbild der Facette des Geräts und zeigt, dass der Abstand zwischen zwei DBRs 26,4 µm beträgt.

Die vorliegenden Autoren betrachten auch die Ähnlichkeit zwischen dem vorliegenden Gerät und dem langsamen Lichtwellenleiterverstärker25, bei dem eine längliche Apertur einen Zick-Zack-Lichtweg ermöglicht und Punkte mit einem konstanten Abstand im NFP hinterlässt. Unter Berücksichtigung des Punktabstands im vorliegenden Gerät von 3,7 µm und der vertikalen Hohlraumlänge von 26,4 µm könnte der Zick-Zack-Modus im vorliegenden Gerät eine dominante Emission bei ± 4 Grad liefern, was mit der Tatsache übereinstimmt, dass das FFP einen intensiven Peak aufweist mit einem Intervall von 7,92 Grad (siehe Abb. 2b). Das in Abb. 1c dargestellte Emissionsspektrum zeigte drei dominante Peaks mit einem Abstand von 1,3 nm, was genau mit der oben erwähnten vertikalen Hohlraumlänge von 26,4 µm übereinstimmt. Bemerkenswert ist, dass der mittlere Peak dieser drei auf der rechten Seite eine stumpfe Schulter aufweist, die einen Abstand von 1,28 nm zum scharfen Peak auf der rechten Seite hat, was einem geschätzten longitudinalen Modenabstand für eine Hohlraumlänge von 26,7 µm entspricht, etwas länger als die vertikale Hohlraumlänge beträgt 26,4 µm. Diese Analyse lässt darauf schließen, dass der Zick-Zack-Modus eine gewisse Rolle spielen und mit den vorherrschenden vertikalen Modi gekoppelt sein könnte.

Abschließend werden die Implikationen der vorliegenden Studie betrachtet. Herkömmliche Halbleiterlaser wie EEL und VCSEL verfügen über einen Fabry-Pérot-Resonator, in dem Emission und Resonanz in die gleiche Richtung verlaufen, wodurch die Strahlbreite auf Mikrometer begrenzt ist. Die vorliegende Struktur weist ein identisches Schema auf, wobei die verstärkende Resonanz parallel zur Emissionsrichtung verläuft. Die durch die Einführung der Seitenfacette verstärkte horizontale Ausbreitung synchronisiert die Moden und erweitert die Strahlbreite drastisch, z. B. 47,5 µm, um eine schmale Emission im Bereich von 0,5°–0,6° zu ermöglichen; Für ein grafisches Verständnis sehen Sie sich bitte Abb. 1e an. Diese Struktur könnte durch einfache Prozesse erhalten werden und erfordert keine komplizierten Strukturen, anders als im Fall von PCSELs und Injektionsverriegelungslasern. Dies wäre für den praktischen Einsatz als kompaktes System für Laserbearbeitung, Fern-Lidar, Kommunikation und Beleuchtung von Vorteil.

Der Hohlraum mit gekrümmten und planaren Spiegeln ermöglicht eine stabile Resonanz trotz Dimensionsstörungen, wie z. B. Neigung der Spiegel durch mechanische Belastung. Dies liegt daran, dass die rotierend gekrümmten Abmessungen die Hohlraumstruktur vernachlässigbar verändern. Bei der vorliegenden Vorrichtung kann die Krümmung den Hohlraum gegen Verformungen, wie etwa unbeobachtbare geringfügige Verdrehungen, stabilisieren. Obwohl die Array-Größe derzeit durch die Aperturlänge begrenzt ist, kann eine Vergrößerung größere, räumlich kohärente Arrays ermöglichen. Darüber hinaus könnte das Hinzufügen stark reflektierender Spiegel auf der Vorderseite die Länge des Punktarrays verlängern. Es bleiben Raum für zukünftige Forschungen. Beispielsweise sollte die Untersuchung, wie das Intervall und die Anzahl der Punkte bestimmt werden, ein Thema bei der Forschung zu diesem Laser sein. Wie bereits erwähnt, spielt die horizontale Ausbreitung eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung des Querverhaltens des Geräts. Die Autoren glauben, dass dieser außergewöhnlich lange vertikale Hohlraum diese horizontale Ausbreitung ermöglichte. Bei herkömmlichen VCSELs ist der Hohlraum kurz und mit optischen Strukturen mit unterschiedlichen Brechungsindexprofilen gefüllt, die die horizontale Ausbreitung von Photonen behindern.

Durch das Biegen der Öffnung, um kein Rechteck, sondern einen Ring zu bilden und einen dimensionierten, halbgeschnittenen Donut zu erhalten, entsteht ein ringförmiger Hohlraum mit einem nahezu kreisförmigen Punkt-Fernfeldmuster und einem deutlich schmaleren Emissionswinkel21. Ein solcher Hohlraum wurde mit einem meterbreiten, voluminösen Aufbau untersucht und liefert Bessel-Strahlen mit radialer oder manchmal azimutaler Polarisation. Es wird erwartet, dass es anstelle des konventionelleren linear oder zirkular polarisierten Strahls einen scharf fokussierten Punkt erzeugt22 und wird beim optischen Einfangen23 verwendet. Die Anwendung einer solchen Half-Donut-Struktur auf Halbleiterlaser ermöglicht möglicherweise eine große Fläche für die Strominjektion und vermeidet gleichzeitig die Wärmeerzeugung im zentralen Teil des Rings, die bei PCSELs zu Problemen beim Wärmemanagement geführt hat. Dieser Aufbau ermöglicht gleichzeitig eine Super-Watt-Klasse und eine schmale Emission ohne Probleme beim Wärmemanagement. Eine solche Struktur wurde bei monolithisch gefertigten Halbleiterlasern noch nie erreicht.

Ein zusätzlicher Vorteil des vorliegenden Geräts ist die Unabhängigkeit von der Wahl des Materials. Die Hohlraumstruktur ist materialunabhängig, solange das Hohlraummaterial für die Resonanzwellenlänge transparent ist. Somit kann dieser Aufbau Familien von Halbleitern wie GaAs und InP, Oxide wie Perowskite und Leuchtstoffe sowie organische Materialien verwenden. Dies sollte außerdem eine Vielzahl von Emissionswellenlängen für eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen.

Abbildung 1A und b zeigen die in der vorliegenden Studie verwendete Gerätestruktur. Die Abbildung zeigt die detaillierte dimensionale Gestaltung von Öffnungen, ITO-Schichten usw. Der Herstellungsprozess war wie folgt. Mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) wurden drei Quantentöpfe (InGaN/GaN-MQWs), eine mit Mg dotierte p-GaN-Schicht (~ 1 × 1019 cm−3) und eine stark mit Mg dotierte Kontaktschicht gezüchtet (~ 1 × 1020 cm−3). Sie wurden auf einem (0001)-GaN-Substrat auf eine Gesamtdicke von etwa 100 nm gezüchtet. Eine 30 nm dicke ITO-Schicht und ein p-seitiger DBR mit 8,5 Ta2O5/SiO2-Doppelschichten mit einem geplanten Reflexionsvermögen von etwa 99,6 %19 wurden mittels Vakuumabscheidung unter den gleichen experimentellen Bedingungen wie in unseren früheren Studien18,19 auf der Kontaktschicht abgeschieden. 20. Neben der Öffnung wurde eine Aussparung geätzt, wodurch die n-GaN-Schicht freigelegt wurde. Zwei Ti/Pt/Au-Elektroden wurden abgeschieden, um den Kontakt mit der ITO-Schicht und dem freigelegten n-GaN herzustellen und so einen Strompfad zu bilden. Ein Strominjektionsbereich wurde durch Borimplantation elektrisch begrenzt24. Die Öffnung wurde in Kontakt mit den ITO- und Ti/Pt/Au-Elektroden gebracht. Ein Wafer wurde auf eine Dicke von etwa 20–30 μm geläppt. Im Rahmen des linsengesteuerten Herstellungsprozesses wurden Harzmasken auf der geläppten Fläche des GaN-Wafers mit einer Ausrichtung von (000–1) fotolithographiert. Durch Erhitzen der Probe auf 200 °C wurden die Harzmasken bei den Referenz-VCSELs zu Tröpfchen und bei dem vorgestellten zu zylindrischen Tröpfchen geschmolzen. Reaktives Ionenätzen wurde verwendet, um die Oberflächenform der Harzschmelzen auf das GaN-Substrat zu übertragen, indem sie als Opfermasken entfernt wurden, die die ähnlichen Formen des geschmolzenen Harzes auf das GaN übertragen. Zur Bildung der gekrümmten und zylindrischen Spiegel wurde ein n-seitiger DBR mit 14 Ta2O5/SiO2-Doppelschichten mit einem geplanten Reflexionsvermögen von > 99,99 %19 abgeschieden. Schließlich wurde das Gerät in Würfel geschnitten und auf einem ⌀9 TO-CAN-Gehäuse ohne Untermontage in der p-up-Konfiguration montiert.

Die dimensionale Charakterisierung dieser deformierten Spiegel wurde vor der Abscheidung der DBRs mit verschiedenen Methoden realisiert. Die Querschnittsabmessungen des gekrümmten Spiegels wurden mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (Keyence VK-X1000) gemessen. Die Rauheit der Oberseite der auf dem GaN gebildeten gekrümmten und ebenen Oberflächen wurde mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM; Bruker Dimension Icon) gemessen. Wir haben DBRs mit der gleichen Struktur wie im Gerät als Proben auf die BK7-Glasplatten aufgebracht, um die Reflexionsspektren der DBRs zu messen. Die Reflexionsspektren dieser Proben wurden mit einem Spektrophotometer (Hitachi U-4000) gemessen.

Die Messungen für das Gerät wurden mit einer Probe mit verpackter Oberfläche in einem 9φ TO-CAN durchgeführt. TO-CAN-Proben wurden mit einer Vorrichtung fixiert und bei Raumtemperatur im Labor bewegt. Bei allen Messungen wurde eine Stromquelle (ILXLightwave LDP-3811) verwendet, um die VCSELs mit einem Rechteckimpulssignal mit einem Tastverhältnis von 5 % und einer Impulsbreite von 1 µs anzutreiben. Abbildung 5a–d zeigt die für NFP-, FFP-, Spektrum- und IV/L-Messungen verwendeten Aufbauten. Der Aufbau für die Polarisationsmessung ist in Abb. 5d als Variante der I-V/L-Messungen dargestellt. Wir verwendeten optische Mikroskopie, um das Bild der Probe unter Strominjektion aufzunehmen.

In der vorliegenden Studie verwendete Setups. (a–d) dienen der Messung von NFP, FFP, Spektrum und I–V/L. Die Details werden im Methodenteil dargestellt.

Für die NFP-Messung (Abb. 5a) werden Objektiv 1 (Thorlabs C671TME-405) und Objektiv 2 (Sigma Koki SLB-30-200PM) so angeordnet, dass der Linsenabstand der Summe ihrer Brennweiten entspricht. Dementsprechend eliminiert das System jeglichen Astigmatismus, der möglicherweise durch die längliche Öffnung verursacht wird. Das Bild wurde mit dem Strahlprofiler (DataRay WinCamD-UCD15-1/1,8") aufgenommen.

Bei der FFP-Messung (Abb. 5b) wurde ein Strahlprofiler (Ophir L11059) verwendet. Der Strahldurchmesser und der Abstand zwischen VCSEL und Profiler werden als d bzw. D definiert. Der Divergenzwinkel des FFP des emittierten Lichts wurde als θ = Tan^− 1(d/D) gemessen.

Die räumliche Verteilung der Emissionsspektren (Abb. 5c) wurde mit einem Spektrometer (Yokogawa AQ6373, Auflösung = 0,1 nm, Empfindlichkeit = HIGH1) unter Verwendung einer optischen Faser (Thorlabs M43L02 105 µm 0,22 NA) gemessen. Dieser Aufbau liefert ein 50-fach vergrößertes Bild des NFP am Ende einer Multimode-Glasfaser, das die Messung der räumlichen Verteilung des Spektrums durch Festlegen der Position des Faserendes ermöglicht. Der Stecker der Faser wird an der Bühne befestigt und gescannt, um spezielle Verteilungen zu erhalten (Abb. 2c, f).

Bei I–V- und I–L-Messungen wird das Ausgangslicht durch Linse 1 kollimiert und dann durch den Polarisator geleitet. Anschließend wird das Licht zur optischen Leistungsaufzeichnung in einen Leistungsmesser (ADCMT 8230 und 82323B) eingespeist. Der Polarisator ist auf einem drehbaren Halter montiert, der eine Steuerung des Winkels des Polarisators ermöglicht, um das Polarisationsverhalten des Geräts zu untersuchen (Abb. 3a–e).

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Die Autoren danken Frau Misu und Dr. Takiguchi für die experimentelle Unterstützung und Dr. Nomoto und Dr. Kikuchi für hilfreiche Diskussionen. Die Autoren schätzen auch die Ermutigung und den Rat, die sie Professor K. Iga und T. Miyamoto für die vorliegende Arbeit gegeben haben, sehr.

Tokyo Laboratory 06, Sony Group Corporation, 4-14-1 Atsugi, Kanagawa, Japan

Tatsushi Hamaguchi, Tomohiro Makino, Kentaro Hayashi, Jared A. Kearns, Maho Ohara, Maiko Ito, Noriko Kobayashi, Shouetsu Nagane, Koichi Sato, Yuki Nakamura, Yukio Hoshina, Tatsurou Jyoukawa, Takumi Watanabe, Yuichiro Kikuchi, Eiji Nakayama, Rintaro Koda & Noriyuki Futagawa

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TH ist der Hauptforscher des Forschungsprojekts und hat die Forschungsidee für das vorliegende Manuskript formuliert. TM bewertete die verpackten Proben. JK, der zum Zeitpunkt der Einreichung des Manuskripts zu Leia Inc. gehörte, trug zum theoretischen Verständnis der Modi des vorliegenden Geräts bei. HK entwickelte das Verfahren zur Herstellung von Zylinderlinsen und führte es mit MO, MI, NK, KS, YN, TJ, SN, TW, YK und YH durch. Dieses abteilungsübergreifende Team in der Sony Corporation wurde von EN, RK und NF geleitet

Korrespondenz mit Tatsushi Hamaguchi.

Diese Studie wird im Rahmen der Forschungsaktivitäten der Sony Group Corporation durchgeführt. Die Autoren erklären, dass keine weiteren Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hamaguchi, T., Makino, T., Hayashi, K. et al. Spontan implementierte räumliche Kohärenz in einem oberflächenemittierenden Laserpunktarray mit vertikalem Resonator. Sci Rep 12, 21629 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26257-0

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Eingegangen: 26. August 2022

Angenommen: 13. Dezember 2022

Veröffentlicht: 14. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26257-0

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