京大ら,青色GaN系フォトニック結晶レーザーを改良

京都大学とスタンレー電気は,青色で動作する窒化ガリウム(GaN)系フォトニック結晶レーザーの高出力・高ビーム品質レーザー発振に成功した(ニュースリリース)。

研究グループは,従来の端⾯発光型レーザーと比べて⾼出⼒動作と⾼ビーム品質動作の両⽴が可能なフォトニック結晶レーザーの開発を進めており,これまでにガリウム砒素(GaAs)系材料を⽤いて⾚外線で動作する10W〜数10W級の⾼出⼒・⾼ビーム品質動作を実証してきた。

しかし,これまでGaN系材料を⽤いた⻘紫から⻘⾊で動作するフォトニック結晶レーザーは閾値が極めて⾼く,光出⼒もミリW以下と⼗分な特性が得られていなかった。研究グループは今回,GaN系フォトニック結晶レーザーのワット級⾼出⼒・⾼ビーム品質化の実現に成功した。研究のポイントは以下の3つ。

① 適切なデバイス層構造の設計による光の漏れ(⾯内損失)の低減
過去のデバイス層構造を解析し,デバイス⾯内⽅向の光の漏れ(⾯内損失)が⾮常に⼤きな値であったことがわかった。これに対し,適切な層構造や共振器サイズを選択することで,⾯内損失を⼗分に低減する構造を⾒出した。

② GaN系フォトニック結晶形成法の確⽴
従来はフォトニック結晶を形成する際,SiO2層を下敷きに利⽤していたが,空孔が不均⼀になりやすく,レーザー特性を悪化させる要因となっていた。そこで,有機⾦属気相成⻑法(MOVPE法)の成⻑条件を制御することでGaNの結晶成⻑を制御し,SiO2を⽤いずに空孔を形成する⼿法を開発し,極めて均⼀で⾼品質なフォトニック結晶の形成が可能となった。

③ 正⽅格⼦・2重格⼦フォトニック結晶構造の採⽤
これまでGaN系フォトニック結晶レーザーでは,フォトニック結晶の不均⼀性の問題で,レーザー発振させやすい三⾓格⼦構造を採⽤してきたが,出⼒が得られにくいという問題があった。研究では②により⾼品質なフォトニック結晶の形成が可能となったため,⾼出⼒化が期待できる正⽅格⼦構造を採⽤した。さらに,GaAs系フォトニック結晶レーザーで開発された,2重格⼦フォトニック結晶の概念を取り⼊れた。

また,従来レーザー光が電極で遮られていたが出射⽅向を変え,電極に光取り出し⼝を設置することで光取り出し効率を向上させた。以上のポイントを踏まえてデバイスを作製した。結果,⻘⾊の波⻑でワット級出⼒,ビーム拡がり⾓〜0.2°と極めて狭いビームの出射に成功した。

この成果は学術的のみならず⼯業的にも⼤変意義は⼤きいとする。研究グループは今後,さらなる⾼出⼒化や⾼効率化を進め,実⽤化を⽬指すとしている。

その他関連ニュース

  • 浜ホト,100Jのパルスレーザーの10Hz発振に成功 2023年01月12日
  • ウシオ,最広温度範囲の405nm/175mW LD発売 2023年01月11日
  • 名大ら,核融合技術を応用しランダムレーザーを開発 2023年01月11日
  • 山形大ら,耐水性/伸縮性ペロブスカイト材料を創出 2022年12月07日
  • DNP,レーザーパターンライトの試験販売を開始 2022年11月25日
  • 旭化成と名大,UV-C LDの室温動作発振を実現 2022年11月25日
  • 【光フェア】アプトス,害鳥忌避レーザーを展示 2022年11月11日
  • 【光フェア】シャープ福山,AR用レーザー展示 2022年11月11日