Yeni boşluk kontrol stratejisi, mavi dikey boşluklu yüzey yayan lazerlerin performansını artırır

GaN tabanlı dikey boşluklu yüzey yayan lazerler (VCSEL’ler) ekranlar, algılama ve optik iletişim için umut vericidir, ancak verimliliğin artırılması hala zorludur. Araştırmacılar artık rezonans dalga boyunu kontrol eden “boşluk ayarının” lazer performansını güçlü bir şekilde etkilediğini gösterdi. Ekip, bir VCSEL plakasındaki değişiklikleri analiz ederek optimum ayna kaybı koşullarını belirledi ve cihaz parametrelerini çıkardı. Yaklaşımları %26,4’lük priz verimliliğine ulaşarak yeni nesil yüksek verimli görünür ışıklı yarı iletken lazerler için rehberlik sağladı.

Galyum nitrür (GaN) bazlı dikey boşluklu yüzey yayan lazerler veya VCSEL’ler, gelecekteki teknolojiler için kompakt ve enerji tasarruflu ışık kaynakları olarak giderek daha fazla ilgi görüyor. Bu yarı iletken lazerlerin yeni nesil ekranlar, biyometrik algılama, çevresel izleme ve kısa mesafeli optik iletişim gibi uygulamalar için umut verici olduğu düşünülmektedir. Bununla birlikte, lazer performansının büyük ölçüde hassas optik tasarıma ve boşluk kontrolüne bağlı olması nedeniyle verimliliklerinin arttırılması büyük bir zorluk olmaya devam etmektedir.

Bu zorluğu ele alan, Japonya Meijo Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nden Profesör Tetsuya Takeuchi, Profesör Satoshi Kamiyama ve Profesör Motoaki Iwaya ile Japonya Meijo Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nün ilk yazarı ve yüksek lisans öğrencisi Bay Naoki Shibahara’nın liderliğindeki bir araştırma ekibi, “boşluk ayarının” GaN tabanlı VCSEL’lerin kalıcı özelliklerini nasıl etkilediğini araştırdı. Geleneksel çalışmalar esas olarak, ayarlama olarak da bilinen kazanç ayarına odaklanırken, araştırmacılar, dağıtılmış Bragg reflektör merkezi dalga boyuna göre rezonans dalga boyu hizalamasının lazer çalışmasını kritik olarak etkilediğini gösterdi.

Araştırmaları şu adreste yayınlandı: Uygulamalı Fizik Mektupları 27 Nisan 2026’da.

Araştırmacılar, nispeten dar bir optik durdurma bandına sahip olan AlInN/GaN dağıtılmış Bragg reflektörleri içeren GaN tabanlı VCSEL levhaları üzerinde çalıştı. Bu dar aralık nedeniyle, rezonans dalga boyundaki küçük değişiklikler bile ayna kaybını önemli ölçüde değiştirebilir ve lazer verimliliğini etkileyebilir. Ekip, levha boyunca düzlem içi değişimleri inceleyerek boşluk ayarının sistematik olarak ayna kaybı değerlerini 25 cm’den 50 cm’ye nasıl değiştirdiğini gözlemledi.⁻¹. Daha sonra bu değişiklikleri, diferansiyel harici kuantum verimliliği, eşik akım yoğunluğu ve duvar prizi verimliliği dahil olmak üzere önemli lazer özellikleriyle ilişkilendirdiler.

Ölçümleri, boşluk ayarının, geleneksel ayar bozma analizinin tek başına açıklayamayacağı dahili cihaz fiziği hakkında değerli bilgiler sağladığını gösterdi. Ekip, ayna kaybı bağımlılığını analiz ederek yaklaşık %85’lik enjeksiyon verimliliği ve 11 cm’ye yakın dahili kayıp dahil olmak üzere temel dahili parametreleri çıkardı.⁻¹. Daha da önemlisi, 35-40 cm civarında optimal bir ayna kaybı bölgesi belirlediler.⁻¹%25’in üzerinde duvar prizi verimliliğinin elde edilebildiği yerlerde. En iyi performansa sahip cihaz, %26,4’lük bir duvar prizi verimliliği sergileyerek grubun daha önce rapor edilen performansını aştı.

Prof. Takeuchi, “Bu çalışmayı motive eden şey, lazer özelliklerinde düzlem içi değişimleri gözlemlememizdi” diye açıkladı. “Yonga levha boyunca cihazları ölçerek ve verileri analiz ederek, geleneksel kazanç ayarının tek başına sonuçları tam olarak açıklayamayacağını gördük. Bu, boşluk ayarının önemini belirlememize yol açtı.”

Bulgular, pratik, yüksek verimli görünür ışık lazer kaynaklarının geliştirilmesini hızlandırmaya yardımcı olabilir. GaN tabanlı VCSEL’lerin kompakt fotonik sistemler için umut verici olduğu düşünüldüğünden, kavite ayarının daha iyi anlaşılması, yüksek optik performans ve enerji verimliliği gerektiren ticari cihazlar için daha güvenilir tasarım stratejilerini destekleyebilir.

Shibahara, “O dönemde dünya çapında bildirilen en yüksek seviyeler arasında yer alan %20’yi aşan duvar prizi verimliliğinin gözlemlenmesi, beni VCSEL özellikleri üzerine araştırmamı daha da ilerletmeye kuvvetle teşvik etti” dedi. Şu anda yüksek güçlü operasyon için iki boyutlu VCSEL entegrasyonunu araştırdığını, cihaz etkileşimlerine, termal ve optik etkilere ve yüksek verimli dizi tasarımına odaklandığını ekledi.

Genel olarak çalışma, GaN tabanlı VCSEL’lerde geleneksel kazanç ayarının yanı sıra boşluk ayarının kritik bir tasarım parametresi olduğunu göstermektedir. Ekip, doğal düzlem içi levha çeşitlerini bir araştırma avantajına dönüştürerek, ayna kaybını optimize etmek ve lazer verimliliğini artırmak için pratik bir yöntem geliştirdi. Bulgular, algılama, iletişim ve ileri fotonik teknolojiler için yüksek performanslı yarı iletken lazerlerin gelecekteki tasarımı için önemli rehberlik sağlıyor.