利用超穎介面實現超微型可變角度光子晶體雷射：材料世界網

張家睿、陳立人、盧廷昌 / 陽明交通大學光電工程所

近年來伴隨3D感測技術、自動駕駛和工業4.0等自動化技術的快速發展，對於靜態和動態物體的距離、速度等等空間辨識的精度要求隨之提高，因此需要具有大範圍掃描能力的雷射光來作為主動探測的光源。此種雷射光源在傳統上多採用機械旋轉掃描結構與額外光學元件配合來達成所需要的功能，使得該光電元件往往體積龐大且造價昂貴。本研究將光子晶體面射型雷射與超穎介面整合，提出了輕薄、可靠度高、製程簡單且便宜的具多重窄光束輸出之高功率光子晶體面射型雷射，可大幅降低3D雷射感測模組的體積與成本。

【內文精選】

前言

2. 超穎介面

超穎介面(Metasurface)為使用次波長尺度的微結構以週期性排列的方式而形成，此薄層微結構能高效地操控電磁波的波前或對其塑性，目前已被大量運用於許多平面光學元件，例如平面透鏡、照明透鏡、平面全息圖、渦流發生器、光束偏轉器、軸棱鏡等。與傳統光學元件相比，超穎介面其獨特的平面排列方式和擁有CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)製程的高相容性，使超穎介面成為最有希望與眾多光電元件整合的候選者。

3. 整合PCSEL與超穎介面

本實驗室將PCSEL與超穎介面兩者相互整合，由於PCSEL的大面積同調發光的光束特性，使得超穎介面的設計上可以接近於平面波的特性，相較於使用其他半導體雷射光源在設計上更加便利；在整合上也具有極大的彈性，可以使用兩者獨立製作之後再鍵合，或者直接製作於雷射之上，可以想見此具有光束偏折功能的半導體雷射擁有體積小、效率高等特點。有別於3D掃描領域的傳統機械式光達，擁有機械損耗、體積過大和價錢昂貴等缺點，本研究提出將PCSELs陣列與超穎介面整合，其擁有高功率、體積輕薄、可靠度高、製程容易、具多重窄光束輸出之優點，將可大幅降低3D雷射感測模組的體積與製造成本。

製作方法

1. PCSEL

主要是採用金屬有機化學氣相沉積法磊晶的雷射結構與再成長光子晶體上方的p型被覆層，光子晶體的結構由電子束微影的方式形成，再用乾式蝕刻技術製作，光子晶體製作完後需要蓋上電流注入層，此處我們使用的磊晶再成長需要特殊的清洗流程與兩段式成長模式才得以獲致平整的磊晶表面，這裡以940 nm波長，也就是GaAs基的雷射結構為例，而1,310 nm和1,550 nm波長的PCSEL則是基於InP材料系統，其設計原則基本相同。在光子晶體空氣洞的幾何結構上，為了避免對稱性造成的破壞性干涉，進而降低出光效率，我們的光子晶體空氣洞使用不對稱圖案以提升光效，讓雷射出光的斜率得以大幅增加；同時，因為此結構是p面發光，而p型半導體的遷移率較差，且p型被覆層的厚度較薄，為了使電流均勻分布在整個發光區域，我們使用了Indium Tin Oxide (ITO)的透明導電層來促進電流的橫向擴展，如此將可大幅改善出光功率與遠場模態。

特性分析與討論

為提高PCSEL的光輸出功率，以及配合對應的超穎介面陣列對應，我們將PCSEL製作成陣列形式如圖二(a)所示，圖中顯示了7 × 7 PCSELs陣列的光學顯微鏡OM圖，雷射陣列晶粒的大小約為1 mm × 1 mm，圖中深藍色的地方為Aperture讓雷射出光的地方，四周黃色區域為正電極。圖二(b)顯示了光輸出功率–電流–電壓特性曲線(L-I-V Curve)，可以看到此高功率PCSELs陣列在10安培輸入下有1.39瓦的輸出功率，雷射發光波長在940 nm並為單模操作，同時此雷射陣列的遠場發散角也僅有1度。實際上此雷射光效不如我們計算的預期，故針對此實驗結果也進行了深入分析，經由TEM觀察發現，光子晶體空氣洞在磊晶再成長時填入許多半導體材料，進而使得效率下降。若是磊晶參數進一步優化，預計將能得到2~3倍的光效提升。

圖二、(a) 7 x 7 PCSELs陣列之OM圖；(b) L-I-V Curve(插圖為頻譜)

圖三(a)為7 × 7超穎介面陣列之OM圖；圖三(b)為超穎介面鍵合於PCSELs陣列上之SEM圖(圖中超穎介面的缺角為刻意破壞以便於揭露下方的PCSELs陣列)；圖三(c)是7 × 7 超穎介面陣列其中一區的俯視SEM圖，可以觀察到奈米柱的尺寸非常接近我們設計的大小 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。