УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ЛАЗЕР НА ОСНОВЕ ДВУМЕРНОГО ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА
ULTRAVIOLET LASER BASED ON TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL

Изобретение относится к лазерам с распределенной обратной связью (РОС), в которых в качестве брэгговской решетки используется двумерный фотонный кристалл. Такие лазеры могут найти широкое применение в оптоэлектронике и телекоммуникации.
2
Один из первых РОС-лазеров был изготовлен на основе пленки желатина, осажденного на стеклянную подложку. (Н.Kogelnik, C.V.Shank, Applied Physics Letters vol.18, N4, 1971, 152-154.) Методом голографии в пленке желатина была изготовлена структура с пространственной модуляцией коэффициента преломления. Периодические поры в пленке желатина были заполнены раствором родамина 6G. При возбуждении ультрафиолетовым излучением пленки по нормали к поверхности в плоскости пленки возникали лазерные осциляции с длиной волны 0.63 мкм и высоким порогом генерации около 1 МВт/см.
Патент США №6744804 от 2004 г. демонстрирует лазер, использующий фотонные кристаллы в качестве оптических зеркал. Фотонные кристаллы заменяют грани скола в традиционных лазерах. Изготовление зеркальных граней путем скола является трудноконтролируемым процессом. Так как РОС-лазеры очень чувствительны к положению сколотой грани, то выход годных изделий из-за неконтролируемости скола резко уменьшается. С другой стороны, изготовление распределенных брэгговских решеток в многослойных структурах требует дорогостоящего оборудования и сложных технологий, например, молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ), химического осаждения из пара с металлорганическими ингредиентами (MOCVD), фокусирующих ионных пучков (FIB), высокоразрешающей литографии (high-resolution lithography). Такие методики используются для изготовления лазеров в патенте США.
2
2
Ближайшим аналогом (прототип) является лазер, описанный в работе американских авторов X.Wu, A.Yamilov, X.Liu et al. (Ultraviolet photonic crystal laser. Applied Physics Letters, vol.85, No17, pp.3657-3659, 2004). В этой работе методом MOCVD осаждали слой оксида цинка толщиной 200 нм на подложку из сапфира. Затем в слое оксида цинка вытравливали цилиндрические отверстия (по форме столбики) диаметром 115 нм на всю глубину слоя. Массив воздушных цилиндров в слое оксида цинка вытравливали методом фокусирующего ионного пучка (FIB) и цилиндрические отверстия образовывали периодическую решетку с гексагональной симметрией. Размер готового участка составлял 8×8 мкм. При оптической накачке по нормали к поверхности пленки наблюдали лазерные осцилляции при длине волны около 390 нм с порогом генерации 80 МВт/см.
Основные недостатки прототипа - это высокий порог генерации, сложные технологии и дорогостоящее оборудование (MOCVD, FIB), используемые при изготовлении лазера.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в снижении порога генерации, исключении сложных технологий и дорогостоящего оборудования (MOCVD, FIB) при изготовлении лазера.
Для достижения данного технического результата в ультрафиолетовом лазере на основе двумерного фотонного кристалла, содержащем слой оксида цинка на подложке, в качестве подложки используется опаловая матрица с гранью (111), представляющая собой периодическую структуру с плотнейшей упаковкой шаров диоксида кремния диаметром (размером) 108 нм или 238 нм, на которую наносят методом магнетронного напыления подслой диоксида кремния толщиной 150-250 нм, сверху слой оксида цинка толщиной 120-140 нм и затем производят отжиг образцов при 800°С в течение 5 мин.
2
Грань (111) опаловой матрицы имеет периодическую гофрированную поверхность, образованную слоем плотноупакованных шаров SiO, которая служит маской для образования реплики в пленке оксида цинка (см. чертеж). Слой оксида цинка представляет собой волновод для распространения излучения в плоскости.
Отличие предложенного лазера заключается в том, что лазер содержит фотонный кристалл на основе опаловой матрицы, образующей гофрированную поверхность в осажденном слое оксида цинка и формирующей обратную связь для оптических мод, распространяющихся внутри волноводной пленки оксида цинка. Размер шаров диоксида кремния в опаловой матрице, которая используется в качестве распределенной брэгговской решетки, выбирают из условия, чтобы край фотонной запрещенной зоны двумерной опаловой решетки был настроен на длину волны излучателя при заданной толщине слоя оксида цинка. Это приводит к усилению интенсивности эмиссии, благодаря повышенной плотности фотонных состояний на краю фотонной запрещенной зоны, и снижению порога генерации.
2
В
В
Ростовая грань (111) опаловой матрицы представляет собой двумерную гексагональную решетку с периодическим изменением показателя преломления, причем период этой решетки определяется диаметром шаров диоксида кремния (SiO). Граница слоя оксида цинка (ZnO) с опалом представляет собой реплику такой брэгговской решетки. На этой решетке происходит связь двух распространяющихся в противоположных направлениях волн с брэгговской длиной волны λ=2Nd, где λ - брэгговская длина волны, N - волноводный показатель преломления, d - межплоскостное расстояние вдоль направления распространения волны. Слой оксида цинка представляет собой волновод, толщина которого выбирается из условия существования заданного числа мод нужной поляризации. Для данной длины волны излучения край фотонной запрещенной зоны двумерной опаловой решетки должен быть настроен на эту длину волны изменением толщины слоя оксида цинка. При этих условиях обратная связь осуществляется за счет когерентного рассеяния от периодической структуры опаловой решетки.
Размер шаров диоксида кремния в опаловой матрице, которая используется в качестве распределенной брэгговской решетки, выбирают из условия, чтобы край фотонной запрещенной зоны двумерной опаловой решетки был настроен на длину волны излучателя при заданной толщине слоя оксида цинка.
Брэгговскую длину волны (т.е. центр фотонной запрещенной зоны-ФЗЗ) рассчитывают по формуле:
В
ZnO
λ=2nsinθd,
В
ZnO
где λ - брэгговская длина волны, n - показатель преломления окида цинка, θ - угол падения волны внутри волновода, d - межплоскостное расстояние вдоль направления распространения волны. Дополнительную настройку на край фотонной запрещенной зоны производят изменением волноводного показателя преломления
ZnO
N=nsinθ, который зависит от толщины волновода (слоя оксида цинка) и условий фазового согласования при распространении заданной моды. Настройка излучателя на край фотонной запрещенной зоны приводит к усилению интенсивности эмиссии благодаря повышенной плотности фотонных состояний.
Таким образом, предложенный лазер по сравнению с прототипом имеет более низкий порог генерации за счет распределенной обратной связи и исключает сложные технологии и дорогостоящее оборудование (MOCVD, FIB) при его изготовлении.
Подслой диоксида кремния служит для сглаживания рельефа поверхности, и его толщина составляет 150-250 нм. При толщинах подслоя больше 250 нм рельеф сглаживается до плоского и обратная связь за счет брегговской дифракции исчезает. При толщинах подслоя, меньших 150 нм, глубокий рельеф поверхности подложки приводит к сильному рассеянию проходящего света и снижению обратной связи.
o
o
2
Пленку оксида цинка высокой чистоты на опаловой матрице получают методом магнетронного распыления поликристаллической мишени ZnO. Толщина слоя оксида цинка составляет 120-140 нм. Для этих толщин в волноводном слое рапространяется только одна мода каждой поляризации (ТЕ и ТМ). Для удаления структурных дефектов, индуцированных при распылении, образцы отжигают при 800°С в течение 5 мин. Усиление света достигается в сильнолокализованных модах вблизи края фотонной запрещенной зоны при оптической накачке. Размер шаров диоксида кремния в опаловой матрице 108 нм. Брэгговская длина волны соответствует центру фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) опаловой решетки в М-направлении гексагональной решетки и равна 410 нм. Эмиссия, обусловленная рекомбинацией электрон-дырочных пар в ZnO при комнатной температуре, происходит при ~397 нм. Таким образом, длина волны излучения оксида цинка попадает на край ФЗЗ (ширина ФЗЗ составляет около 24 нм). Порог возбуждения генерации такой структуры при накачке импульсным ультрафиолетовым лазером с длиной волны 337 нм составляет ~0.1 МВт/см.
Фотонная запрещенная зона (стоп-зона) при 410 нм является стоп-зоной первого порядка для двумерной опаловой структуры с размером шаров диоксида кремния 108 нм. Дисперсия размера шаров не должна превышать 5%. В противном случае упаковка шаров не будет иметь периодическую структуру. В непериодической структуре отсутствует обратная связь, осуществляемая за счет когерентного рассеяния света от периодической структуры опаловой решетки и, как следствие, невозможна генерация.
2
Для стоп-зоны 2-го порядка (диаметр шаров диоксида кремния 238 нм) брэгговская длина волны при толщине слоя ZnO 120 нм равна 415 нм. Для такой структуры порог генерации составил ~0.3 МВт/см.
Схема наноструктуры ZnO - опал для ультрафиолетового лазера представлена на чертеже. На опаловой подложке (5) нанесен подслой диоксида кремния (4), а сверху нанесен волноводный слой оксида цинка (3). При облучении поверхности слоя оксида цинка ультрафиолетовым светом с длиной волны 337 нм (1) с плотностью энергии выше порога возбуждения в слое возникает генерация лазерного излучения (~397 нм) с выходом через боковые торцы структуры (2).
Пример 1
2
2
На поверхность грани (111) опала с размером шаров SiO 108 нм магнетронным распылением наносят подслой оксида кремния толщиной 150 нм и методом же магнетронного распыления поликристаллической мишени ZnO наносят слой оксида цинка 120 нм и затем производят отжиг образцов при 800°С в течение 5 мин. Порог возбуждения генерации такой структуры при накачке импульсным ультрафиолетовым лазером с длиной волны 337 нм составляет ~0.1 МВт/см.
Пример 2
2
2
На поверхность грани (111) опала с размером шаров SiO 238 нм магнетронным распылением наносят подслой оксида кремния толщиной 250 нм и методом же магнетронного распыления поликристаллической мишени ZnO наносят слой оксида цинка 140 нм и затем производят отжиг образцов при 800°С в течение 5 мин. Для такой структуры порог генерации составил ~0.3 МВт/см.