Towards Single-Mode Continuous-Wave InP Based Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers at 2 µm

光は世界を見るための強力な道具ですが、すべての光が等しく作られているわけではありません。何十年もの間、科学者たちは、バーコードの読み取りから自動運転車の誘導に至るまで、さまざまなタスクを実行するために、特定の色彩（波長）の光を放つレーザーを設計してきました。最も一般的なレーザーは、人間の目には見えない領域のすぐ隣にある近赤外線域で作動します。しかし、2マイクロメートルから2.5マイクロメートルにわたる、異なるスペクトル領域が存在し、そこには独自の利点があります。「拡張短波赤外線」として知られるこの範囲は、驚くほど鮮明に大気を透過するため、長距離のセンシングや通信に理想的です。決定的なことに、この特定の色の光は、人間の目の内部の液体が網膜に届く前に吸収するため、人間の目にとって安全でもあります。これらの恩恵を活用するためには、研究者たちは単に強力であるだけでなく、光が乱れたビームへと広がることなく、単一で純粋な色を放出するレーザーを必要としています。

オハイオ州立大学の研究チームは、空軍研究室および国立研究所の同僚らと協力して、これらの特殊なレーザーを作成するための重要な一歩を踏み出しました。彼らの研究は、「フォトニック結晶表面発光レーザー」と呼ばれる新しいタイプのレーザー設計に焦лоスしています。光を側面や上部から放出してしばしば広がったビームを作ってしまう従来のレーザーとは異なり、これらのデバイスは半導体材料にエッチングされた微細な穴の格子を使用します。この格子は鏡のように機能し、光を単一の方向に進ませ、表面から真上に真っ直ぐ放出させることで、タイトで高品質なビームを作り出します。同様のデバイスはより短い波長向けに構築されてきましたが、研究者たちは困難な2マイクロメートル領域に狙いを定めました。彼らはこれらのレーザーを作るためにインジウムリン化物を材料として選択しましたが、この選択には、以前の試みで使用されていた、より一般的なガリウムアンチモン材料と同等、あるいはそれ以上の性能を発揮できることを証明する必要がありました。

旅は、これら2つの材料オプションの慎重な比較から始まりました。研究者たちは、インジウムリン化物またはガリウムアンチモンで作られたレーザー内部で光がどのように振る舞うかをシミュレートするために、高度なコンピュータモデルを使用しました。その結果、ガリウムアンチモンは低出力レベルではわずかに強い光を生み出すものの、インジウムリン化物はレーザーをより強く駆動させた際に明確な利点を提供することが分かりました。電流が増加するにつれて、インジウムリン化物の設計は目標とする2マイクロメートルの波長への集中力を維持しましたが、もう一方の材料は色が変化し始めました。さらに、研究者たちは、レーザー内の熱がどのように移動するかを計算するために、個別のシミュレーションを実施しました。彼らは、インジウムリン化物のクラッディング（被覆層）が68 W/(m·K)の熱伝導率を持つため、競合する材料（ガリウムアンチモンの32 W/(m·K)）よりも効率的に熱を伝導することを発見しましたが、デバイス内の全体的な温度上昇は、半導体層自体ではなく、主にパッケージングとレーザーが取り付けられている界面によって決定されることも判明しました。その結果、ガリウムアンチモンのデバイスは高負荷時に最大7.9℃高いジャンクション温度を示しましたが、両方のプラットフォームにおける熱管理の課題は、材料の選択そのものよりも、取り付け界面によって大きく左右されるものでした。

材料の選択が確定すると、チームはレーザーの物理的設計に取り組みました。彼らは、半導体の薄い層に、正方形の格子状に配置された空気の穴の微細なパターンを作成しました。これらの穴のサイズと間隔は、正確に2マイクロメートルの光と共鳴するように計算されました。これらのデバイスを製作する際の主要な課題は、エッチングされた穴の上に半導体材料を再成長させるプロセスです。もし材料が穴を完璧に埋められなければ、レーザーの性能は低下します。研究者たちは、穴が垂直な壁で満たされているシナリオと、製造過程で実際に起こる現象である、逆三角形の滴のような形をした傾斜した壁を持つシナリオの2つをモデル化しました。シミュレーションの結果、これらの現実的な、わずかに傾斜した壁がある場合でも、レーザーは依然として正しく機能し、光は自然に最も強く安定したモードを選択して放出することが示されました。これにより、彼らは、設計が実際の製造プロセスに対して十分に堅牢であることを確信しました。

設計が機能することを証明するために、チームは、最終的な表面発光デバイスに使用する予定の同じインジウムリン化物と活性領域を使用して、標準的なエッジ発光レーザーを製作し、テストしました。これらのテスト用レーザーは最終製品ではありませんが、重要な概念実証として機能しました。電源を入れると、これらのデバイスは2061ナノメートルの波長で光を放出することに成功し、材料が実際に目的の色彩を生成できることを裏付けました。これらのレーザーは、中断することなく連続的に動作し、これは半導体デバイスにとって過酷なテストです。室温において、これらは42.5ミリワットの一定の出力を生成しました。温度が上昇しても、レーザーは安定していましたが、効率はわずかに低下しました。これは、この種の技術においては典型的な挙動です。チームはまた、温度の変化に伴うレーザーの色の変化を測定し、デバイスの熱抵抗（熱をどれだけうまく処理できるかの尺度）を算出することを可能にする予測可能な関係を見出しました。

この研究の結果は、2マイクロメートルレーザーの未来に向けた明確なロードマップを提供しています。インジウムリン化物がこの波長において高出力の連続波動作をサポートできることを実証することで、研究者たちは、代替材料と比較して製造が容易で、好ましい熱特性を備えた材料プラットフォームを検証しました。彼らは、表面発光レーザーを作成するために必要な微細なエンジニアリングが、製造過程に内在する不完全性がある場合でも実現可能であることを示しました。チームはまだ2マイクロメートルの最終的な単一モード表面発光レーザーを製作していませんが、シミュレーションと予備的な実験による構成要素の徹底的な検証を通じて、そのようなデバイスが手の届く範囲にあることが示唆されています。この進展は、困難ではあるが非常に有用な拡張短波赤外線スペクトラムにおいて動作可能な、コンパクトで強力かつ眼に対して安全な光源の実現に向けて、科学界を近づけています。