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ES2886369T3 - Dispositivo láser y método para su funcionamiento - Google Patents

Dispositivo láser y método para su funcionamiento Download PDF

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ES2886369T3
ES2886369T3 ES17721404T ES17721404T ES2886369T3 ES 2886369 T3 ES2886369 T3 ES 2886369T3 ES 17721404 T ES17721404 T ES 17721404T ES 17721404 T ES17721404 T ES 17721404T ES 2886369 T3 ES2886369 T3 ES 2886369T3
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Richard Hogg
David Childs
Richard Taylor
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University of Glasgow
Original Assignee
University of Glasgow
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Abstract

Un dispositivo láser (500) que tiene: un elemento láser emisor de superficie de cristal fotónico, PCSEL, (502), estando provisto al menos en un primer lado lateral del elemento PCSEL (502) un reflector (506) dispuesto para reflejar de vuelta al elemento PCSEL (502) al menos una porción de la luz que sale del elemento PCSEL (502) a través del primer lado lateral del elemento PCSEL (502), caracterizado por que: una región de transmisión de luz controlable eléctricamente (504), configurada para controlar la transmisión de luz desde el elemento PCSEL (502) al reflector (506) basándose en una entrada eléctrica, se interpone entre el primer lado lateral del elemento PCSEL (502) y el reflector (506).

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo láser y método para su funcionamiento
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo láser y a un método para su funcionamiento. Tiene una aplicabilidad particular a un dispositivo láser basado en un láser emisor de superficie de cristal fotónico (PCSEL).
Técnica relacionada
Los láseres emisores de superficie de cristal fotónico (PCSEL) son una nueva clase de emisores de luz semiconductores. Se ha descubierto que los PCSEL tienen propiedades beneficiosas que incluyen oscilación coherente y bajas divergencias de la luz emitida.
Los PCSEL funcionan utilizando una capa emisora de luz activa y una capa de cristal fotónico. Estas dos capas están dispuestas cerca o adyacentes entre sí como parte de una estructura en capas. El cristal fotónico está hecho de un material que tiene un primer índice de refracción, que está modelado con regiones discretas que tienen un segundo índice de refracción diferente del primer índice de refracción dispuesto en una estructura de celosía periódica, formando así el cristal fotónico. Las regiones que tienen el segundo índice de refracción pueden ser orificios o pueden rellenarse con otro material. La red provoca la difracción de Bragg en el cristal fotónico, lo que a su vez hace que la luz resuene en el cristal fotónico a una longitud de onda particular determinada por la constante de periodicidad/red del cristal fotónico.
Cuando se aplica una tensión a través de un PCSEL, la capa activa emite luz. La luz se filtra fuera de la capa activa hacia el cristal fotónico. La luz en el cristal fotónico que tiene una longitud de onda coincidente con la constante de red del cristal fotónico resuena en el cristal fotónico y se amplifica. Esta luz amplificada sale del PCSEL a través de una superficie de emisión.
Gelleta et al. (2015) [15] divulga los resultados de las investigaciones de modelos sobre el efecto de la reflexión externa en el modo TE de los PCSEL. El trabajo informado en Gelleta et al. (2015) sugiere que el uso de la reflexión externa puede ser de interés para mejorar la estabilidad del modo en cavidades de áreas modestas (alrededor de 100 pm2). Sin embargo, no se presentó ningún trabajo experimental para apoyar tales efectos.
El documento EP 1998420 A1 divulga un PSCEL en el que se proporciona un reflector al menos en una porción de la circunferencia del cristal fotónico bidimensional. El reflector tiene una distribución de reflectancia en la que la reflectancia tiene un valor máximo en una posición donde la envolvente de amplitud del modo fundamental de una luz de resonancia interna creada dentro del cristal fotónico bidimensional.
El documento EP 2023454 A2 divulga un PSCEL que comprende además un cristal fotónico unidimensional dispuesto de manera que la luz que se propaga en la dirección en el plano del cristal fotónico bidimensional es reflejada por un borde de banda fotónica del cristal fotónico unidimensional.
Sumario de la invención
El trabajo anterior del grupo de investigación de los inventores se ha publicado como WO 2016/027105 [20], en el que se describe una estructura de láser que tiene un primer elemento PCSEL y un segundo elemento PCSEL acoplados a través de una región de acoplamiento. La región de acoplamiento se puede controlar eléctricamente para proporcionar un acoplamiento coherente entre el primer PCSEL y el segundo PCSEL.
Los presentes inventores se han dado cuenta de que los dispositivos láser existentes basados en PCSEL pueden ser susceptibles de modificaciones y/o mejoras adicionales, por ejemplo, para mejorar la capacidad de control de la salida del láser, en cuanto a intensidad, divergencia del haz, forma del haz, etc. Por consiguiente, se ha ideado la presente invención. Preferentemente, la presente invención reduce, mejora, evita o supera al menos uno de los problemas anteriores. A continuación, se comentan otras ventajas de las realizaciones preferidas de la presente invención.
La presente invención se define por la materia objeto divulgada en las reivindicaciones independientes 1 y 12. Las realizaciones preferidas se divulgan en las reivindicaciones dependientes.
En un aspecto general, la presente invención modifica los dispositivos PCSEL conocidos proporcionando una reflexión controlable y/o selectiva de la luz que se propaga lateralmente hacia el interior del p Cs El . En un primer aspecto preferido, la presente invención proporciona un dispositivo láser que tiene un elemento láser emisor de superficie de cristal fotónico (PCSEL), estando previsto al menos en un primer lado lateral del elemento PCSEL un reflector dispuesto para reflejar de vuelta al elemento PCSEL al menos una porción de la luz que sale del elemento PCSEL a través del primer lado lateral del elemento PCSEL, estando interpuesto entre el primer lado lateral del elemento PCSEL y el reflector una región de transmisión de luz controlable eléctricamente configurada para controlar la transmisión de luz desde el elemento PCSEL al reflector, basado en una entrada eléctrica.
En un segundo aspecto preferido, la presente invención proporciona un método para operar un dispositivo láser, teniendo el dispositivo láser un elemento láser emisor de superficie de cristal fotónico (PCSEL), incluyendo el método la etapa de controlar el reflejo de la luz, saliendo del elemento PCSEL a través de un primer lado lateral del elemento PCSEL, de vuelta al elemento PCSEL, haciendo que una entrada eléctrica controle la transmisión de luz a través de una región de transmisión de luz interpuesta entre el primer lado lateral del elemento PCSEL y un reflector.
Por consiguiente, la retroalimentación dentro del elemento PCSEL de la luz reflejada de regreso al elemento PCSEL, se puede controlar en función de la entrada eléctrica. Los inventores han descubierto que controlar la retroalimentación de esta manera permite controlar electrónicamente la salida de potencia láser y la forma del rayo del dispositivo láser. Ventajosamente, la salida de potencia láser y la forma del haz se pueden controlar, si es necesario, sin modulación directa del propio elemento PCSEL.
El primer y segundo aspectos de la invención pueden tener una o, en la medida en que sean compatibles, cualquier combinación de las siguientes características opcionales.
El reflector del primer y segundo aspectos también puede ser un reflector selectivo en longitud de onda.
Como se entenderá, un reflector selectivo de longitud de onda refleja la luz dependiendo de su longitud de onda, normalmente dentro de un rango de longitud de onda predefinido alrededor de una longitud de onda seleccionada. Dichos reflectores pueden formarse convenientemente dentro de la arquitectura del dispositivo, por ejemplo, formado por técnicas epitaxiales y/o litográficas. Por lo tanto, proporcionan un formato conveniente para reflectores que permiten la retroalimentación de la luz en el plano de regreso al elemento PCSEL.
Ventajosamente, el reflector selectivo en longitud de onda solo puede reflejar luz en una longitud de onda correspondiente a la frecuencia de resonancia de la luz dentro del cristal fotónico del elemento PCSEL. Dicho de otra forma, el reflector se puede hacer solo para reflejar la luz a la frecuencia láser del elemento PCSEL.
Preferentemente, el reflector selectivo en longitud de onda puede reflejar sustancialmente toda la luz dentro del rango de longitud de onda predeterminado que incide sobre él. Asimismo, preferentemente, puede reflejar sustancialmente toda la luz correspondiente a la frecuencia láser del elemento PCSEL que incide sobre el mismo.
Por consiguiente, las pérdidas de luz a la frecuencia láser a través del reflector pueden minimizarse y los efectos de retroalimentación en el elemento PCSEL pueden maximizarse.
El reflector (y reflector selectivo de longitud de onda) puede estar ubicado en el plano del elemento PCSEL.
La región de transmisión de luz controlable eléctricamente puede estar ubicada en el plano del elemento PCSEL.
La región de transmisión de luz controlable eléctricamente puede conmutarse mediante la entrada eléctrica entre un estado de transmisión en el que sustancialmente toda la luz se transmite a través de ella para ser reflejada por un reflector correspondiente, y un estado de extinción en el que sustancialmente no se transmite luz a través de ella, controlando así la transmisión de luz desde el elemento PCSEL al reflector.
En la práctica, la transmisión puede sintonizarse a través de un rango continuo de estados ópticos, entre el estado de extinción y el estado de transmisión. En este sentido, la afinación puede considerarse analógica, en lugar de binaria.
Por consiguiente, cuando la región de transmisión de luz controlable eléctricamente está en el estado de extinción y evita que la luz se transmita al reflector correspondiente, la luz no será reflejada de regreso al elemento PCSEL por el reflector en el lado lateral correspondiente, y no habrá retroalimentación desde ese borde del dispositivo. Por otro lado, cuando la región de transmisión de luz controlable eléctricamente está en el estado de transmisión y permite que la luz alcance el reflector correspondiente, la luz se reflejará de nuevo en el elemento PCSEL, resultando en retroalimentación desde ese borde del dispositivo. Cuando la región de transmisión de luz controlable eléctricamente se encuentra en un estado óptico entre el estado de extinción y el estado de transmisión, una fracción intermedia de luz será reflejada de regreso al dispositivo por el reflector en el lado lateral correspondiente.
En las realizaciones primera y segunda, puede proporcionarse en un segundo lado lateral del elemento PCSEL un segundo reflector dispuesto para reflejar de vuelta al elemento PCSEL al menos una porción de la luz que sale del elemento PCSEL a través del segundo lado lateral del elemento PCSEL. Asimismo, el segundo reflector puede proporcionarse además al (primer) reflector en el primer lado lateral del elemento PCSEL.
También puede haber, interpuesta entre el segundo lado lateral del elemento PCSEL y el segundo reflector, una segunda región de transmisión de luz controlable eléctricamente configurada para controlar la transmisión de luz desde el elemento PCSEL al segundo reflector, basado en una entrada eléctrica. Asimismo, la segunda región de transmisión de luz controlable eléctricamente puede proporcionarse además de la (primera) región de transmisión de luz controlable eléctricamente interpuesta entre el primer reflector y el primer lado lateral.
Los lados laterales primero y segundo pueden ser adyacentes entre sí.
Los inventores han descubierto que la retroalimentación de dos lados laterales adyacentes de un elemento PCSEL puede ser de uso particular para controlar la forma del haz desde el PCSEL, y puede usarse para seleccionar un modo láser particular del PCSEL (esto se analiza con más detalle a continuación). Es ventajoso poder controlar la retroalimentación de dos lados laterales adyacentes individualmente, como quedará claro en la descripción detallada (a continuación).
Los respectivos reflectores se pueden proporcionar al primero. segundo y tercer lados laterales del elemento PCSEL, cada uno dispuesto respectivamente para reflejar de vuelta al elemento PCSEL al menos una porción de la luz que sale del elemento PCSEl a través de los lados laterales respectivos del elemento PCSEL.
De manera alternativa, los respectivos reflectores se pueden proporcionar al primero, segundo, tercero y cuarto (es decir, preferiblemente todos) lados laterales del elemento PCSEL, cada uno dispuesto respectivamente para reflejar de vuelta al elemento PCSEL al menos una porción de la luz que sale del elemento PCSEL a través de los lados laterales respectivos del elemento PCSEL.
En el caso del primer y segundo aspecto, puede haber una región de transmisión de luz controlable eléctricamente interpuesta entre cada reflector respectivo y el lado lateral del dispositivo láser.
Cada región de transmisión de luz controlable eléctricamente puede controlarse independientemente mediante una entrada eléctrica respectiva.
Por consiguiente, la reflexión en los lados laterales respectivos del elemento PCSEL se puede controlar de forma independiente. Esto proporciona un alto grado de control eléctrico sobre la retroalimentación y, por lo tanto, la salida de potencia y la forma del haz, del elemento PCSEL.
El reflector puede ser un reflector de Bragg distribuido (DBR).
Se puede segmentar al menos una región de transmisión de luz eléctricamente controlable, cada segmento configurado para controlar la transmisión de una porción respectiva de luz desde el elemento PCSEL al reflector. Preferentemente, cada región de transmisión de luz controlable eléctricamente puede estar segmentada. En particular, cada región de transmisión de luz controlable eléctricamente puede dividirse en al menos dos segmentos. En la práctica, se puede utilizar cualquier número de segmentos. Por ejemplo, se pueden utilizar 2, 3, 4, 5 o 6 segmentos.
Cada segmento de cada región de transmisión de luz controlable eléctricamente puede controlarse independientemente mediante una entrada eléctrica respectiva. En particular, cada segmento puede controlarse individualmente para estar en un estado de transmisión o en un estado de extinción.
Los inventores consideran que dicha región de transmisión de luz controlable segmentada puede proporcionar un control adicional sobre la salida de potencia láser y la forma del haz de un elemento PCSEL. También consideran que tal región de transmisión de luz controlable segmentada podría usarse para la dirección del haz, cambiando la posición en el plano del elemento PCSEL en el que se centra la salida láser.
Otras características opcionales de la invención se exponen a continuación.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se describirán realizaciones de la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un elemento PCSEL.
La figura 2 es una vista en sección transversal del elemento PCSEL de la figura 1.
La figura 3 muestra una vista en planta de un cristal fotónico para su uso en el elemento PCSEL de las figuras 1 y 2.
La figura 4 es un gráfico de frecuencia normalizada (eje y) en función del vector de onda (eje x), que muestra la estructura de la banda fotónica del cristal fotónico de la figura 3.
Las figuras 5A a 5D muestran el módulo de distribución del campo magnético en el elemento PCSEL de la figura 3, para las frecuencias A, B, C y D que se muestran en la figura 4.
La figura 6 muestra un gráfico de potencia láser (eje y) en función de la corriente (eje x) para PCSEL con diferentes números de superficies de reflexión.
La figura 7 muestra la orientación de las direcciones de 0° y 90° de la figura 8.
Las figuras 8A a 8C son gráficos de intensidad de haz normalizada (eje y) en función del ángulo (eje x) para PCSEL operados a una corriente de umbral de 1.1x y con diferentes números de superficies de reflexión
Las figuras 9A a 9C muestran gráficos de la intensidad del haz (eje y) en función de la longitud de onda de emisión para los PCSEL operados en un rango de corrientes y con diferentes números de superficies de reflexión.
La figura 10 muestra una vista en planta de un dispositivo láser de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 11 es una vista en sección transversal del dispositivo láser de la figura 10, visto a lo largo de la línea AA-AA.
La figura 12 muestra una vista en planta de un dispositivo láser de acuerdo con otra realización de la presente invención.
La figura 13 muestra ejemplos de puntos de emisión láser centrados (A, B, C) para el dispositivo láser de la figura 12.
La figura 14 es una vista en sección transversal tomada a lo largo de una línea BB-BB de la figura 13, mostrando un efecto de dirección del haz cuando la salida del dispositivo láser se dirige a través de una lente.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas, y otras características opcionales de la invención
Se ha demostrado que los PCSEL ofrecen un funcionamiento de onda continua a temperatura ambiente [1], [2]. Controlando el diseño, es decir, la estructura periódica, de la capa de cristal fotónico en un PCSEL, es posible controlar las propiedades del láser como la forma del haz [3] y la polarización [4]. También es posible lograr la dirección del haz de esta manera [5]. Los PCSEL se pueden fabricar mediante fusión de obleas [2] o mediante crecimiento epitaxial [6], [7], [8], [9], [10].
Al fabricar matrices de elementos PCSEL individuales, se han obtenido elevadas salidas de potencia láser [6], [11], [12], [13]. Los cambios en la capa de cristal fotónico en particular se han utilizado para aumentar la producción de potencia láser [14]. La salida de potencia más alta lograda con un solo elemento PCSEL hasta la fecha se logró mediante el crecimiento epitaxial y un diseño de cristal fotónico controlado [6].
Gelletta et al. (2015) [15] investigó el efecto de la reflexión externa de un solo lado lateral de un elemento PCSEL sobre las propiedades de láser de un PCSEL. Variando la fase del reflector externo, pudieron mostrar cambios en la ganancia de umbral (umbral láser) y en la frecuencia de banda. El cambio en el umbral de láser dependía de la fase de la superficie de reflexión, y la naturaleza del cambio era diferente para los diferentes modos de frecuencia de resonancia del cristal fotónico en el PCSEL. No se investigó el efecto que tendría variar la fase de la superficie de reflexión a través de la región del cristal fotónico. El trabajo reportado en Gelletta et al. (2015) [15] no se basó en mediciones experimentales, sino en modelos y análisis.
Chassagneux et al. (2009) [16] mostró que la inclusión de facetas (superficies de reflexión) en un lado lateral de un THz PCSEL con una red de cristal fotónico hexagonal permitía modos de frecuencia de galería susurrantes y modos de frecuencia, o modos de frecuencia del cristal fotónico, para ser seleccionados alternativamente.
Como se analiza a continuación en mayor detalle, los presentes inventores han descubierto que al incluir una superficie de reflexión en el borde de un elemento PCSEL, el umbral de láser y la forma del haz de campo lejano del elemento PCSEL se pueden cambiar. Se puede considerar que la superficie de reflexión tiene una fase aleatoria con respecto a la capa de cristal fotónico. La fase de reflexión varía a lo largo del elemento PCSEL.
Las figuras 1 y 2 muestran respectivamente una vista en perspectiva y una vista en sección transversal de un elemento PCSEL. El elemento PCSEL de las figuras 1 y 2 pueden cultivarse mediante epitaxia en fase vapor metalorgánica (MOVPE) sobre un sustrato de GaAs, por ejemplo.
El elemento PCSEL de las figuras 1 y 2 tiene una capa de revestimiento inferior n-AIGaAs 102, capa activa de InGaAs 104, capa de parada de grabado p-lnGa 106, capa de cristal fotónico InGaP 108, capa de revestimiento superior p-AIGaAs 110, capa de caperuza de p+GaAs 112 y electrodo anular 114. Normalmente, también se proporcionaría un electrodo de contacto adyacente a la capa de revestimiento inferior 102. Como se muestra en la figura 1, el electrodo de contacto es anular, con una abertura a través de la cual se puede extraer la luz cuando el PCSEL está emitiendo láser.
La capa activa puede contener pozos cuánticos y/o puntos cuánticos. Por ejemplo, puede contener uno o más pozos cuánticos de InGaAs/GaAs, puntos cuánticos de InAs/GaAs, pozos cuánticos GaAs/AIGaAs y pozos cuánticos AllnGaAsP. La capa activa puede ser un núcleo de pozo cuántico triple de GaAs/lnGaAs sin dopar que contiene pozos cuánticos de InGaAs de 38 nm con barreras de GaAs de 20 nm.
El cristal fotónico se forma modelando la capa de InGaP con regiones periódicas que tienen un segundo índice de refracción que es diferente del primer índice de refracción de InGaP, formando así la estructura de red periódica del cristal fotónico. El patrón se realiza mediante litografía por haz de electrones (EBL). En particular, los orificios están modelados en una máscara dura de SiO2, y el patrón se transfiere al InGaP por grabado con iones reactivos CH4/H2/O2 (RIE). Las regiones que tienen el segundo índice de refracción InGaP pueden dejarse como espacios de aire/huecos, o alternativamente pueden rellenarse por crecimiento excesivo con un material de relleno adecuado que tenga un segundo índice de refracción, tal como GaAs.
El cristal fotónico tiene un tamaño de huella en el plano del elemento PCSEL de 150 pm x 150 pm. Como se entenderá, diferentes realizaciones pueden usar diferentes dimensiones.
El cristal fotónico puede, alternativa o adicionalmente, comprender una o más de AlGaA, GalnAs, GalnAsP, AllnGaAs y AllnGaN.
En la figura 3 se muestra una imagen SEM de la red periódica del cristal fotónico del elemento PCSEL. Las regiones claras son InGaP que tienen el primer índice de refracción discutido anteriormente, y las regiones oscuras están llenas de GaAs que tienen el segundo índice de refracción discutido anteriormente. Como se puede ver claramente en la figura 3, las regiones oscuras de GaAs que tienen el segundo índice de refracción tienen, cada una, una forma triangular y están dispuestas colectivamente en una red cuadrada.
Este tipo de cristal fotónico resulta especialmente útil para generar salidas de alta potencia láser. Como entenderá un experto en la materia, igualmente se podrían usar otras estructuras de cristal fotónico conocidas en la técnica. Por ejemplo, las regiones que tienen el segundo índice de refracción pueden tener una forma cuadrada, circular, u otras, y pueden estar dispuestas colectivamente en una disposición cuadrada, de celosía hexagonal o de otro tipo.
Se ha demostrado que el elemento PCSEL que tiene la estructura anterior funciona a temperatura ambiente en condiciones de onda continua.
La figura 4 muestra la estructura teórica de la banda fotónica alrededor del punto gamma ( r ) de la estructura fotónica de InGaP/GaAs de la figura 3. La figura 4 se obtuvo mediante modelado por ordenador, resolviendo los estados propios de frecuencia definida de las ecuaciones de Maxwell. La simulación se ejecutó utilizando bandas fotónicas del MIT (MPB) [18]. La frecuencia (eje x) en la figura 4 se normaliza multiplicando la frecuencia por a/c, donde a = constante de celosía y c = velocidad de la luz. r es el punto en el que la velocidad de grupo de la luz en el cristal fotónico es cero y, por lo tanto, representa el punto en el que se produce la resonancia en el cristal fotónico. Por lo tanto, la figura 4 muestra las cuatro frecuencias (A, B, C y D) en el que la luz puede resonar en un cristal fotónico de la figura 3.
Las figuras 5A, 5B, 5C y 5D muestran el módulo teórico de la distribución del campo magnético de ondas polarizadas eléctricas transversales (TE) en el cristal fotónico de la figura 3, para las cuatro frecuencias resonantes A, B, C y D (respectivamente) que se muestran en la figura 4.
En el PCSEL descrito anteriormente, se observaron en la práctica los modos de láser A y B.
La red periódica hace que se produzca la difracción de Bragg de la luz que se desplaza en el cristal fotónico. Esta difracción de Bragg, a su vez, hace que la luz de una frecuencia específica resuene y, por lo tanto, se amplifique, en el cristal fotónico. La resonancia se produce cuando la velocidad de grupo de la luz que se propaga en el cristal fotónico se acerca a cero. La frecuencia a la que la luz resuena en el cristal dependerá de la periodicidad/constante de red del cristal fotónico. Esta frecuencia resonante será la frecuencia láser del elemento PCSEL.
Cuando se aplica una tensión a través del elemento PCSEL, la capa activa emitirá luz. Esta luz entra en el cristal fotónico y resuena a una frecuencia dada como se discutió anteriormente para producir luz láser. A continuación, esta luz láser se extrae a través de la superficie de emisión del elemento PCSEl (capa de revestimiento superior 110).
No toda la luz producida por el láser se extraerá a través de la superficie de emisión del láser. Algo de luz que se desplaza en el plano del elemento PCSEL se transmitirá a través de los lados laterales del elemento PCSEL.
Los inventores han descubierto que al reflejar la luz de nuevo en un elemento PCSEL desde un lado lateral del elemento PCSEL, cambiando así la retroalimentación dentro del elemento PCSEL, la potencia láser y la forma del haz del elemento PCSEL se pueden cambiar.
Para demostrar este efecto, los inventores utilizaron un elemento PCSEL que tiene una capa de revestimiento inferior de 1,5 pm de Alo,4Gao,6As, región activa del pozo cuántico de 3 mm (pozos cuánticos de 8 nm de Ino,2Gao,8As separados por capas de 20 nm de GaAs), capa de parada de grabado de 40nm de p-Ino,48Gao,52, capa de cristal fotónico de 150nm de Ino,48Gao,52P (modelada con EBL, con GaAs utilizado para rellenar los orificios en el cristal fotónico), capa de revestimiento superior de 1,5 pm de p-Alo,4Gao,6As y una capa superior de 400 nm de p+GaAs. El cristal fotónico tiene la misma estructura reticular que se muestra en la figura 3, y tiene una huella cuadrada en el plano del dispositivo de 150 pm x 150 pm. Se formó un electrodo de contacto anular con un tamaño de abertura de 52 pm en la capa de la tapa superior.
La potencia láser, la forma del haz y los espectros de emisión se midieron primero para el elemento PCSEL prístino (es decir, sin superficies de reflexión). A continuación, el sustrato sobre el que se hizo crecer el elemento PCSEL se cortó a lo largo de un primer lado lateral del elemento PCSEL, para introducir una primera superficie de reflexión en el primer lado lateral del elemento PCSEL. Se midieron la potencia láser y la forma del haz de campo lejano. Entonces, el sustrato se cortó a lo largo de un segundo lado lateral del elemento PCSEL, adyacente al primer lado lateral, para introducir una segunda superficie de reflexión adyacente a la primera superficie de reflexión del elemento PCSEL. Se midieron de nuevo la potencia láser y la forma del haz de campo lejano. Los resultados se muestran en las figuras 6, 8A a 8C y 9A a 9C.
Los inventores descubrieron que la adición de al menos una superficie de reflexión daba como resultado la selección de un único modo láser (A o B).
La figura 6 es un gráfico de la potencia láser (eje y) en función de la corriente aplicada (eje x). Se midió la potencia láser de 0-200 mA. Como puede verse a partir del gráfico de la figura 6, el umbral de láser del elemento PCSEL prístino era de 112 mA, y la potencia de láser a 200 mA era de aproximadamente 1 x 10-5 u.a. (unidades arbitrarias).
A continuación, se midió la potencia láser del elemento PCSEL con una sola superficie de reflexión desde 0-200 mA. Como puede verse a partir del gráfico de la figura 6, la superficie de reflexión única redujo el umbral de láser a 88 mA. La potencia láser a 200 mA se incrementó a aproximadamente 2x10'5 u.a.
A continuación, se midió la potencia láser del elemento PCSEL con dos superficies de reflexión desde 0-200 mA. Como puede verse a partir del gráfico de la figura 6, la potencia y el umbral del láser no se alteraron particularmente al agregar la segunda superficie de reflexión en comparación con tener solo una superficie de reflexión.
Los resultados experimentales de la figura 6 muestran que la adición de una superficie de reflexión en un lado lateral de un elemento PCSEL aumenta la potencia de emisión láser y reduce el umbral de emisión láser.
La figura 7 muestra la ubicación de la primera superficie de hendidura/reflexión 702 y la segunda superficie de hendidura/reflexión 703 con relación al elemento PCSEL.
Las figuras 8A a 8C muestran gráficos de distribución de haz de intensidad normalizada frente al ángulo para mediciones de campo lejano de la luz emitida a través de la superficie de emisión del elemento PCSEL de las figuras 1 y 2, a una corriente de funcionamiento de 1,1x la corriente de umbral y con diferentes números de superficies de reflexión.
En las figuras 8A a 8C, la línea de 0° es la intensidad del haz en función del ángulo paralelo a la superficie de reflexión. Es decir, la línea de 0° muestra cómo varía la intensidad del haz en función del ángulo a lo largo de la línea 704 en la figura 7 (donde la línea 702 es la superficie de reflexión). La línea de 90° muestra la intensidad del haz en función del ángulo perpendicular a la superficie de reflexión. Es decir, la línea de 90° muestra cómo varía la intensidad del haz en función del ángulo a lo largo de la línea 706 en la figura 7. El punto de cero grados en el eje x en las figuras 8A a 8C corresponde a una posición de visión a lo largo de un eje que pasa por el punto en el que se cruzan las líneas 704 y 706 de la figura 7, siendo el eje perpendicular al plano del elemento PCSEL.
La figura 8A es la distribución del haz de campo lejano para el elemento PCSEL sin superficies de reflexión. Como puede verse en las figuras, la forma del haz es aproximadamente circular y tiene una extensión angular de aproximadamente ± 2,5°.
La figura 8B es la distribución del haz de campo lejano para un elemento PCSEL con una única superficie de reflexión. Como se puede ver en la figura 8B, una sola superficie de reflexión tiene el efecto de ensanchar el haz en la dirección paralela a la superficie de reflexión y concentrar el haz en la dirección perpendicular a la superficie de reflexión. La extensión angular en la dirección perpendicular a la superficie de reflexión se redujo ligeramente, a aproximadamente ± 2°, mientras que la extensión angular en la dirección paralela a la superficie de reflexión se incrementó a aproximadamente ± 10°.
La figura 8C es la distribución del haz de campo lejano para un elemento PCSEL con una sola superficie de reflexión. Como puede verse en esta figura, la adición de una segunda superficie de reflexión adyacente a la primera superficie de reflexión tiene el efecto de concentrar el haz en la dirección paralela a la primera superficie de reflexión, tal que el haz se concentre en ambas direcciones en comparación con el elemento PCSEL sin superficies de reflexión, con una extensión angular de aproximadamente ± 1°.
Por lo tanto, la adición de una sola superficie de reflexión en un lado lateral del elemento PCSEL crea un haz con una forma ovalada. La adición de dos superficies de reflexión, en los lados laterales adyacentes del elemento PCSEL, tiene el efecto de reducir la extensión angular del haz en comparación con el elemento PCSEL sin superficies de reflexión.
Con base en los hallazgos anteriores, los inventores han desarrollado un dispositivo láser en el que la potencia láser y la forma del haz se pueden cambiar electrónicamente. En la figura 10 se muestra un dispositivo láser de este tipo. Las figuras 9A a 9C muestran gráficos de la intensidad del haz en función de la longitud de onda de emisión para el elemento PCSEL de las figuras 1 y 2, cuando se opera en un rango de corrientes y con diferentes números de superficies de reflexión.
La figura 9A muestra la intensidad del haz en función de la longitud de onda de emisión para el elemento PCSEL prístino sin superficies de reflexión. Como se puede ver en la figura 9A, el prístino elemento PCSEL tiene una tendencia a tener dos máximos espectrales a valores de corriente más bajos.
La figura 9B muestra la intensidad del haz en función de la longitud de onda de emisión para el elemento PCSEL con una primera superficie de reflexión. Como se puede ver en la figura 9B, la adición de una sola superficie de reflexión da como resultado un solo pico de emisión espectral, que se centra en aproximadamente 63,5 nm.
La figura 9C muestra la intensidad del haz en función de la longitud de onda de emisión para el elemento PCSEL con una segunda superficie de reflexión adyacente a la primera superficie de reflexión. Como se puede ver en la figura 9C, el elemento PCSEL todavía tiene un solo pico de emisión espectral. Se puede ver que los máximos de emisión aumentan en función de la corriente. Los inventores consideran que este máximo aumentado es un resultado de los efectos de calentamiento provocados por el confinamiento de la corriente en el elemento PCSEL con dos escisiones.
El dispositivo láser 500 de la figura 10 incluye un elemento PCSEL 502. Este elemento PCSEL 502 en esta realización tiene la misma estructura que el elemento PCSEL 100 de las figuras 1 y 2. Una región de transmisión de luz controlable 504 y un reflector DBR 506 están formados en cada lado lateral del elemento PCSEL 502. La región de transmisión de luz controlable en cada lado lateral está interpuesta entre el elemento PCSEL y el reflector DBR respectivo. Esto forma el dispositivo láser.
Cada reflector DBR 506 está configurado para reflejar la luz que incide sobre el mismo y que se desplaza en una dirección sustancialmente paralela al plano del elemento PCSEL 502. Los reflectores d Br existen en el plano del elemento PCSEL. De esta manera, la luz que sale del elemento PCSEL 502 puede reflejarse de nuevo en el elemento PCSEL 502 mediante un reflector DBR 506, alterando así la retroalimentación dentro del elemento PCSEL.
Las propiedades ópticas de cada región de transmisión de luz controlable 504 se pueden controlar mediante una entrada eléctrica. En particular, controlando una corriente suministrada a una región de transmisión de luz controlable 504 dada, las propiedades ópticas de la región de transmisión de luz controlable 504 pueden controlarse. En particular, las propiedades ópticas de la región de transmisión de luz controlable se pueden controlar para que estén en cualquier lugar entre un estado de transmisión, en el que se transmite sustancialmente toda la luz, y un estado de extinción, en el que sustancialmente no se transmite luz. Preferentemente, se conmuta entre los estados de transmisión y extinción. Asimismo, la región de transmisión de luz controlable se controla pasando una corriente a través de la misma. Cuando esta corriente excede un valor umbral, el contacto es esencialmente transparente, permitiendo que la luz pase a través del mismo. Este es el estado de transmisión. Cuando la corriente está por debajo del valor umbral, el contacto ya no permite que la luz pase a través del mismo. Este es el estado de extinción.
Cuando se controla para estar en el estado de transmisión, la región de transmisión de luz controlable 504 transmitirá la luz que sale del elemento PCSEL 502 en el plano del elemento PCSEL. Esta luz luego será reflejada por el reflector DBR 506 correspondiente, y de regreso al elemento PCSEL 502. Por el contrario, cuando se controla que la región de transmisión de luz controlable esté en estado de extinción, la luz no se reflejará de nuevo en el elemento PCSEL 502. Por consiguiente, la retroalimentación de cada lado lateral del elemento PCSEL se puede controlar electrónicamente.
Como se ha mostrado en relación con las figuras 6, 8A a 8C y 9A a 9C arriba, controlando de forma selectiva si la luz se refleja desde lados laterales específicos del elemento PCSEL, la salida de potencia y la forma del rayo del dispositivo láser se pueden alterar. Por lo tanto, el dispositivo láser 500 permite alterar electrónicamente la potencia láser y la forma del rayo.
Por ejemplo, controlando las regiones de transmisión de luz controlables 504 de modo que una primera región de transmisión de luz controlable esté en un estado de transmisión y las otras tres estén en un estado de extinción, se puede reducir el umbral láser y se puede aumentar la potencia láser a una corriente de funcionamiento dada por encima del umbral láser. De manera adicional, se puede hacer que el haz tenga una forma ovalada. Controlando dos regiones de transmisión de luz controlables 504 adyacentes para que estén en el estado de transmisión, y controlando que las otras dos estén en el estado de extinción, el rayo láser del dispositivo láser 500 se puede concentrar.
La figura 11 muestra el dispositivo láser 500 visto a lo largo de la línea AA-AA. Como se puede ver en la figura 11, el elemento PCSEL 502 tiene la misma estructura que el elemento PCSEL de las figuras 1 y 2.
Las regiones de transmisión de luz controlables 504 tienen la misma estructura en capas que el elemento PCSEL. Por consiguiente, las regiones de transmisión de luz controlables 504 tienen sustancialmente el mismo índice de refracción que el elemento PCSEL 502, evitando así que se produzca la reflexión en la interfaz entre el elemento PCSEL 502 y las regiones de transmisión de luz controlables 504. Sin embargo, la capa InGaP de las regiones 504 de transmisión de luz controlable (correspondiente a la capa 108 de cristal fotónico del elemento PCSEL) no está modelada con regiones periódicas que tienen un índice de refracción diferente del InGaP. Por lo tanto, esta capa no es un cristal fotónico en las regiones de transmisión de luz controlables 504. Las regiones de transmisión de luz controlables 504 tienen sus propios electrodos 600, que están eléctricamente aislados de los electrodos 114 del elemento PCSEL. De esta manera, las regiones de transmisión de luz controlables 504 se pueden controlar electrónicamente, independientemente entre sí e independientemente del elemento PCSEL 114.
El elemento PCSEL 502, las regiones de transmisión de luz controlables 504 y el reflector DBR 506 existen todos en el mismo plano, para reflejar selectivamente la luz que sale del elemento PCSEL en el plano del dispositivo láser, basado en una corriente suministrada a la región(s) ópticamente sintonizable 504.
En algunas realizaciones, se pueden cultivar varios dispositivos láser en un solo sustrato. Este sustrato luego se escindirá después del proceso de fabricación, proporcionando así una pluralidad de dispositivos láser individuales, cada dispositivo láser contiene un único elemento PCSEL.
La figura 12 muestra una modificación del dispositivo láser de las figuras 10 y 11. En este dispositivo láser 800, cada región de transmisión de luz controlable 802 está segmentada en una pluralidad de segmentos ópticamente sintonizables 804. Cada segmento 804 puede controlarse independientemente de los otros segmentos. Por consiguiente, cada segmento individual puede controlarse independientemente para estar en un estado de transmisión o en un estado de extinción. De esta manera, la retroalimentación de un lado lateral dado se puede modular. Por ejemplo, al tener un solo segmento en un lado lateral en el estado de transmisión, y los otros segmentos en el estado de extinción, el lado lateral se puede hacer para proporcionar una retroalimentación débil al elemento PCSEL.
Esta capacidad de ajustar la retroalimentación en cada lado lateral puede permitir que la intensidad de emisión del dispositivo láser se ajuste con precisión, con un mayor nivel de control que controlando uniformemente la retroalimentación de un lado lateral completo, como en la realización de las figuras 10 y 11.
De manera adicional, modulando espacialmente la retroalimentación de cada lado lateral, la forma del haz se puede controlar con mayor precisión. Por lo tanto, se pueden utilizar electrodos segmentados para dirigir el rayo láser, así como ajustar su forma y divergencia angular.
El efecto de dirección del haz se ilustra en las figuras 13 y 14.
Controlando individualmente los segmentos 804, la salida láser del dispositivo PCSEL 800 se puede centrar en diferentes posiciones en el plano del cristal fotónico. La figura 13 ilustra tres posiciones a modo de ejemplo diferentes (A, B y C) en el que se puede centrar la salida láser del dispositivo láser 800, controlando individualmente los segmentos 804. Estas posiciones están destinadas a ser ilustrativas y no limitantes.
La figura 14 muestra una sección transversal a lo largo de la línea BB-BB de la figura 13, y una trayectoria que la luz láser emitió desde los puntos A, B y C tomarían si se les permitiera pasar a través de una lente 900 enfocada en B. La luz de estos tres puntos es transmitida y refractada por la lente 900. La figura 14 muestra la trayectoria de la luz desde el punto A al punto A', el punto B hacia B' y el punto C hacia C', estando los puntos A', B' y C' en el plano 902. Por lo tanto, controlando que la salida del láser se centre en uno de los puntos A, B o C, se puede lograr la dirección del haz.
Los inventores también han descubierto que este ajuste fino de la salida de láser puede usarse para compensar las variaciones en el rendimiento del dispositivo provocadas por problemas de fabricación para cada elemento PCSEL individual. Por ejemplo, efectos nocivos sobre la salida láser causados por inexactitudes en la estructura del cristal fotónico, disipador de calor y otros problemas de fabricación, se puede compensar ajustando la retroalimentación utilizando los contactos segmentados, por ejemplo, para lograr salidas de potencia láser monomodo más altas.
Aunque la invención se ha descrito junto con los ejemplos de realizaciones descritos anteriormente, muchas modificaciones y variaciones equivalentes resultarán evidentes para los expertos en la técnica cuando se les proporcione esta divulgación. Por consiguiente, los ejemplos de realizaciones de la invención expuestas anteriormente se consideran ilustrativas y no limitativas. Pueden realizarse varios cambios en las realizaciones descritas sin apartarse del ámbito de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Referencias:
[1] M. Imada, S. Noda, A. Chutinan, T. Tokuda, M. Murata y G. Sasaki, "Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure", Applied Physics Letters, vol. 75, n.° 3, p.
316, 1999.
[2] D. Ohnishi, T. Okano, M. Imada y S. Noda, "Room temperature continuous wave operation of a surface emitting two dimensional photonic crystal laser", Optics express, vol. 12, n.° 8, p. 1562, 2004.
[3] E. Miyai, K. Sakai, T. Okano, W. Kunishi, D. Ohnishi y S. Noda, "Lasers producing tailored beams", Nature, vol.
441, n.° 946, 2006.
[4] S. Noda, M. Yokoyama, A. Chutinan, M. Imada y M. Mochizuki, "Polarization Mode Control of Two-Dimensional Photonic Crystal Laser by Unit Cell Structure Design", Science, vol. 293, p. 1123, 2001.
[5] Y. Kurosaka, S. Iwahashi, Y. Liang, K. Sakai, E. Miyai, W. Kunishi, D. Ohnishi y S. Noda, "On-chip beam-steering photonic-crystal lasers", Nature Photonics, vol. 4, págs. 447-450, 2010.
[6] K. Hirose, Y. Liang, Y. Kurosaka, A. Watanabe, T. Sugiyama y S. Noda, "Watt-class high-power, high-beamquality photonic-crystal lasers", Nature Photonics, vol. 8, págs. 406-411,2014.
[7] D. Williams, K. Groom, D. Childs, R. Taylor, S. Khamas, R. Hogg, B. Stevens, N. Ikeda e Y. Sugimoto, "Epitaxially regrown GaAs-based photonic crystal surface emitting laser", Photonics Technology Letters, vol. 24, n.° 11, págs.
966-968, 2012.
[8] D. Williams, K. Groom, D. Childs, R. Taylor, S. Khamas, R. Hogg, B. Stevens, N. Ikeda e Y. Sugimoto, "Optimisation of coupling between photonic crystal and active elements in an epitaxially regrown GaAs based photonic crystal surface emitting laser", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 52, n.° 02BG05-1-3, 2012.
[9] R. Taylor, D. Williams, D. Childs, B. Stevens, L. Shepherd, S. Khamas, K. Groom y R. Hogg, "All-semicoonductor photonic crystal surface emitting lasers based on epitaxial regrowth", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 19, n.° 4, p. 4900407, 2013.
[10] M. Nishimoto, K. Ishizaki, K. Maekawa, K. Kitamur y S. Noda, "Air-Hole Retained Growth by Molecular Beam Epitaxy for Fabricating GaAs-Based Photonic-Crystal Lasers", Applied physics express, vol. 6, n.° 4, 2013.
[11] R. Taylor, D. Child, P. Ivanov, B. Stevens, N. Babazadeh, A. Crombie, S. T. G. Ternent, H. Zhou y R. Hogg, "Electronic control of coherence in a two-dimensional array of photonic crystal surface emitting lasers", Nature Scientific Reports, vol. 5, p. 13203, 2015.
[12] R. Taylor, D. Childs, P. Ivanov, B. Stevens, N. Babazadeh, J. Sarma, S. Khamas, . Crombie, G. Li, G. Ternent, S. Thoms, H. Zhou y R. Hogg, "Coherently Coupled Photonic Crystal Surface Emitting Laser Array", Journal of selected topics in quantum electronics, vol. 21, n.° 6, p. 4900307, 2015.
[13] S. Noda, T. Sakaguchi, W. Kunishi, S. Arimura, K. Nagase, E. Miyai, D. Ohnishi y K. Sakai, "Surface-Emitting Photonic-Crystal Laser with 35W Peak Power", en la Conferencia sobre Láseres y Electro-Óptica (CLEO) y la Conferencia Internacional de Electrónica Cuántica (IQEC), 2009.
[14] RJE Taylor, D. M. Williams, J. R. Orchard, D. T. Childs, S. Khamas y R. Hogg, "Band structure and waveguide modelling of epitaxially regrown photonic crystal surface emitting lasers", Journal of Physics D, vol. 46, n.° 26, p.
264005, 2013.
[15] J. GELLETA., Y. LIANG., H. KITAGAWA. y S. NODA., "Influence of external reflection on the TE mode of photonic crystal surface-emitting lasers", Journal of the Optical Society of America B, vol. 32, n.° 7, p. 1435, 2015.
[16] Y. Chassagneux, R. Colombell, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. Khanna, E. H. Linfield y A. Davies, "Electrically pumped photonic-crystal terahertz lasers controlled by boundary conditions", Nature, vol.
457, págs. 174-178, 2009.
[17] S. G. Johnson and J. D. Joannopoulos, "Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in a planewave basis", Optics express, vol. 8, n.° 3, págs. 173-190, 2001.
[18] M. Yokoyama y S. Noda, "Polarisation mode control of two-dimensional photomic crystal laser having a square lattice structure", IEEE journal of quantum electronics, vol. 39, n.° 9, p. 1074, 2003.
[19] Y.Kurosaka, S. Iwahashi, K. Sakai, E. Miyai, W. Kunishi, D.Ohnishi y S. Noda, "Band structure observation of 2D pgotonic crystal with various v shaped air hole arangements", IEICE Electronics express, vol. 6, n.° 13, p. 966, 2009.
[20] R. Taylor, E.James, D.Childs, "Improved Laser Structure", WO2016/027105 A1.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo láser (500) que tiene:
un elemento láser emisor de superficie de cristal fotónico, PCSEL, (502), estando provisto al menos en un primer lado lateral del elemento PCSEL (502) un reflector (506) dispuesto para reflejar de vuelta al elemento PCSEL (502) al menos una porción de la luz que sale del elemento PCSEL (502) a través del primer lado lateral del elemento PCSEL (502), caracterizado por que:
una región de transmisión de luz controlable eléctricamente (504), configurada para controlar la transmisión de luz desde el elemento PCSEL (502) al reflector (506) basándose en una entrada eléctrica, se interpone entre el primer lado lateral del elemento p Cs EL (502) y el reflector (506).
2. El dispositivo láser (500) de la reivindicación 1, en el que el reflector (506) es un reflector selectivo de longitud de onda.
3. El dispositivo láser (500) de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en el que la región de transmisión de luz controlable eléctricamente (504) es conmutable por la entrada eléctrica entre un estado de transmisión en el que sustancialmente toda la luz se transmite a través de ella para ser reflejada por un reflector (506) correspondiente, y un estado de extinción en el que sustancialmente no hay luz que se transmita a través suyo, controlando así la transmisión de luz desde el elemento PCSEL (502) al reflector (506).
4. El dispositivo láser (500) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando provisto además en un segundo lado lateral del elemento PCSEL (502) un segundo reflector (506) dispuesto para reflejar de vuelta al elemento PCSEL (502) al menos una porción de luz que sale del elemento PCSEL (502) a través del segundo lado lateral del elemento PCSEL (502).
5. El dispositivo láser (500) de la reivindicación 4, estando interpuesto entre el segundo lado lateral del elemento PCSEL (502) y el segundo reflector (506), una segunda región de transmisión de luz controlable eléctricamente (504) configurada para controlar la transmisión de luz desde el elemento PCSEL (502) al segundo reflector (506), basándose en una entrada eléctrica.
6. El dispositivo láser (500) de las reivindicaciones 4 y 5, en el que los lados laterales primero y segundo están adyacentes entre sí.
7. El dispositivo láser (500) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los respectivos reflectores (506) se proporcionan en el primero, el segundo, el tercer y el cuarto lados laterales del elemento PCSEL (502), cada uno dispuesto respectivamente para reflejar de vuelta al elemento PCSEL (502) al menos una porción de la luz que sale del elemento PCSEL (502) a través de los lados laterales respectivos del elemento PCSEL (502).
8. El dispositivo láser (500) de la reivindicación 7, en el que una región de transmisión de luz controlable eléctricamente (504) respectiva está interpuesta entre cada reflector (506) respectivo y el lado lateral del dispositivo láser.
9. El dispositivo láser (500) de la reivindicación 5 o de la reivindicación 8, en el que cada región de transmisión de luz controlable eléctricamente (504) está controlada independientemente por una entrada eléctrica respectiva.
10. El dispositivo láser (800) de cualquier reivindicación anterior, en el que al menos una región de transmisión de luz controlable eléctricamente (802) se divide en al menos dos segmentos (804), estando cada segmento (804) configurado para controlar la transmisión de una porción respectiva de luz desde el elemento PCSEL (502) al reflector (506).
11. El dispositivo láser (800) de la reivindicación 10, en el que cada segmento (804) está controlado individualmente por una entrada eléctrica respectiva.
12. Un método para el funcionamiento de un dispositivo láser (500, 800), teniendo el dispositivo láser un elemento láser emisor de superficie de cristal fotónico, PCSEL, (502), incluyendo el método la etapa de controlar el reflejo de la luz, saliendo del elemento PCSEL (502) a través de un primer lado lateral del elemento PCSEL (502), de vuelta al elemento PCSEL (502), provocando que una entrada eléctrica controle la transmisión de luz a través de una región de transmisión de luz (504, 802) interpuesta entre el primer lado lateral del elemento PCSEL (502) y un reflector (506).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201607996D0 (en) 2016-05-06 2016-06-22 Univ Glasgow Laser device and method for its operation
US11031751B2 (en) 2016-08-10 2021-06-08 Hamamatsu Photonics K.K. Light-emitting device
JP6747910B2 (ja) 2016-08-10 2020-08-26 浜松ホトニクス株式会社 発光装置
US10734786B2 (en) * 2016-09-07 2020-08-04 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light emitting element and light emitting device including same
US11637409B2 (en) 2017-03-27 2023-04-25 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light-emitting module and control method therefor
US11646546B2 (en) 2017-03-27 2023-05-09 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor light emitting array with phase modulation regions for generating beam projection patterns
JP6959042B2 (ja) 2017-06-15 2021-11-02 浜松ホトニクス株式会社 発光装置
DE112018006285T5 (de) 2017-12-08 2021-01-28 Hamamatsu Photonics K.K. Lichtemittierende vorrichtung und herstellungsverfahren dafür
DE112019002892T5 (de) 2018-06-08 2021-02-25 Hamamatsu Photonics K.K. Lichtemittierendes Element
JP7125865B2 (ja) * 2018-06-11 2022-08-25 浜松ホトニクス株式会社 発光装置
JP7125867B2 (ja) * 2018-06-20 2022-08-25 浜松ホトニクス株式会社 発光素子
JP7170978B2 (ja) * 2019-03-13 2022-11-15 株式会社デンソー 光偏向器
DE102022101787A1 (de) * 2022-01-26 2023-07-27 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Laserdiodenbauelement und verfahren zur herstellung zumindest einer photonischen kristallstruktur für ein laserdiodenbauelement
EP4280399A1 (en) * 2022-05-18 2023-11-22 Imec VZW Vertical laser emitter and manufacturing method thereof

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK1371120T3 (da) * 2001-03-09 2013-07-22 Alight Photonics Aps Bølgetypekontrol ved anvendelse af transversal båndgabsstruktur i vcsels
JP3561244B2 (ja) 2001-07-05 2004-09-02 独立行政法人 科学技術振興機構 二次元フォトニック結晶面発光レーザ
CN1286228C (zh) 2002-02-08 2006-11-22 松下电器产业株式会社 半导体发光元件及其制造方法
JP4445292B2 (ja) * 2002-02-08 2010-04-07 パナソニック株式会社 半導体発光素子
AU2003224626A1 (en) 2002-03-07 2003-09-22 The Government Of The United States Of America As Represented By Thesecretary Of The Navy Photonic-crystal distributed-feedback and distributed-bragg reflector lasers
JP2003273456A (ja) * 2002-03-14 2003-09-26 Japan Science & Technology Corp ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
DE10214120B4 (de) * 2002-03-28 2007-06-06 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optisch pumpbare oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung
US6826223B1 (en) 2003-05-28 2004-11-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Surface-emitting photonic crystal distributed feedback laser systems and methods
US7535943B2 (en) 2004-03-05 2009-05-19 Kyoto University Surface-emitting laser light source using two-dimensional photonic crystal
WO2006062084A1 (ja) 2004-12-08 2006-06-15 Sumitomo Electric Industries, Ltd. 半導体レーザ素子およびその製造方法
US7609376B2 (en) * 2005-01-05 2009-10-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Method and apparatus for pixel display and SERS analysis
KR20080049734A (ko) 2005-09-05 2008-06-04 고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저 광원
JP4793820B2 (ja) * 2006-03-20 2011-10-12 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP5138898B2 (ja) 2006-03-31 2013-02-06 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP5015641B2 (ja) * 2007-03-26 2012-08-29 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JPWO2009011394A1 (ja) 2007-07-17 2010-09-24 住友電気工業株式会社 電子デバイスを作製する方法、エピタキシャル基板を作製する方法、ｉｉｉ族窒化物半導体素子及び窒化ガリウムエピタキシャル基板
JP4338211B2 (ja) * 2007-08-08 2009-10-07 キヤノン株式会社 フォトニック結晶を有する構造体、面発光レーザ
JP5152721B2 (ja) * 2008-03-24 2013-02-27 国立大学法人横浜国立大学 半導体レーザ
JP5356088B2 (ja) * 2009-03-27 2013-12-04 古河電気工業株式会社 半導体レーザ、レーザ光の発生方法、およびレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法
JP5305423B2 (ja) 2011-06-13 2013-10-02 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP6083703B2 (ja) 2012-02-28 2017-02-22 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
US9281661B2 (en) * 2014-07-02 2016-03-08 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Integrated optoelectronic device comprising a Mach-Zehnder modulator and a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)
GB2528896B (en) 2014-08-01 2016-07-20 Oriel Silicon Photonics Ltd Methods and apparatus for phase shifting and modulation of light
GB201414984D0 (en) 2014-08-22 2014-10-08 Univ Sheffield Improved laser structure
GB201607996D0 (en) 2016-05-06 2016-06-22 Univ Glasgow Laser device and method for its operation

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