Osiągnięcia

1. Szczegółowe opracowanie modelu numerycznego analizy optycznej struktur osiowosymetrycznych.
2. Zbadanie zagrzebanej struktury ARROW na zachowanie modów laserze typu VCSEL.
3. Odkrycie interesującej niemonotonicznej zależności strat optycznych i prądu progowego od średnicy zagrzebanej wyspy tlenkowej.
4. Określenie wpływu rozmiaru oraz położenia zagrzebanej wyspy tlenkowej na właściwości lasera.
5. Zaproponowanie optymalnych parametrów zagrzebanej wyspy tlenkowej pozwalających na osiągnięcie pracy jednomodowej.

Uzyskane wyniki

W ramach realizacji projektu zbadano wpływ elementu antyrezonansowego o niskim współczynniku załamania, zagrzebanego wewnątrz struktury lasera typu VCSEL na jego właściwości optyczne, ze szczególnym uwzględnieniem dyskryminacji modowej. Aby to było możliwe w pierwszej kolejności zbadano dokładność metod numerycznych pozwalających na analizę struktury takiego lasera. Podstawowymi przebadanymi metodami były metoda efektywnej częstotliwości, metoda admitancyjna fal płaskich oraz nowa metoda admitancyjna oparta na rozwinięciu Bessela we współrzędnych cylindrycznych.

W testowej strukturze badane metody wykazały zadowalającą zgodność, w szczególności dla większych apertur. Metoda efektywnej częstotliwości — jedna, oparta na przybliżeniu skalarnym — cechowała się pewnym systematycznym przesunięciem w stosunku do metod wektorowych. Jednakże przesunięcie to byłe łatwe do skompensowania, co miało istotne znaczenie w dalszych pracach (gdyż pozwoliło zastąpić metody wektorowe znacznie szybszą metodą skalarną). Ostatecznie do dalszych prac wybrano metodą opartą na rozwinięciu Bessela (z uwagi na to, że została uznana za najdokładniejszą) oraz metodę skalarną (z uwagi na jej szybkość).

Metoda oparta na rozwinięciu Bessela została zaimplementowana specjalnie na potrzeby tego projektu. Szczegóły zostały przedstawione w pracy. Jest ona w założeniu podobna do metody admiracyjnej fal płaskich — w kierunku pionowym równania Maxwella rozwiązywane są analitycznie zaś w kierunku poziomym poprzez numeryczne rozwinięcie pola elektromagnetycznego w bazie ortogonalnej. W odróżnieniu od metody fal płaskich, w nowej metodzie to rozwinięcie dokonane jest we współrzędnych biegunowych w bazie funkcji Bessela.

W ramach prac merytorycznych w projekcie przystąpiliśmy do badań struktury lasera typu VCSEL emitującego światło o długości fali 850 nm wykonanego w technologii arsenku galu. W pierwszej kolejności przeprowadzona została analiza właściwości optycznych lasera, w którym struktura anty-rezonansowa umieszczona była we wnęce rezonansowej lasera, zaś górne zwierciadło DBR miało postać napylonych warstw dielektrycznych — struktura taka została wybrana z uwagi na łatwość jej wykonania, które nie wymagało przeprowadzenia dwukrotnej epitaksji. Zarówno w tej pracy jak i we wszystkich następnych zdecydowaliśmy, że wyspa ta będzie miała kształt cylindra umieszczonego w warstwie AlGaAs. Decyzja ta została podjęta ze względu na proces technologiczny wykonania takiej struktury — do jej wykonania wystarczy wykonanie pojedynczego otworu.

---

Podstawowym wynikiem jest niemonotoniczna zależność czasu życia fotonów (bezpośrednio powiązanego z dobrocią wnęki) dla modów poprzecznych różnych rzędów. W trakcie badań został zaobserwowany oscylacyjny charakter tej wielkości przy wzroście rozmiarów anty-rezonansowej wyspy tlenkowej.

Według naszej wiedzy — z uwagi na fakt, że takie struktury nie były wcześniej badane — nikt wcześniej nie zaobserwował tego zjawiska. W związku z tym istotne stało się wyjaśnienie jego przyczyn. W tym celu przeanalizowany został rozkład modu elektromagnetycznego w strukturze dla wszystkich modów, a w szczególności HE 11 (podstawowego) i HE 12 (o jakościowo różnym zachowaniu). Okazało się, że w miarę wzrostu średnicy wyspy tlenkowej, w modzie podstawowym pojawiało się lokalne minimum o rozmiarze wyspy, a całe natężenie pola koncentrowało się poza nią. Z kolei w modzie wyższego rzędu wyspa także wypychała pole poza swój obszar, ale do czasu — przy odpowiednio dużym jej rozmiarze pole zaczynało się koncentrować wewnątrz wyspy: początkowo częściowo, później w całości. W efekcie dla wyspy o średnicy 8 µm mod podstawowy kształtem przypominał mod wyższego rzędu, zaś mod HE 12 miał profil najbardziej zbliżony do rozkładu Gaussa.

Wyniki te są bardzo interesujące z naukowego punktu widzenia, jako że doskonale ilustrują mechanizm oddziaływania struktury antyrezonansowej na mody wewnątrz lasera i wynikające z niego — nieobserwowane wcześniej — oscylacje. Oscylacje te powodują, że dla pewnych rozmiarów wyspy tlenkowej wzrasta różnica pomiędzy czasem życia najmniej stratnego modu, a modu następnego, co może zostać wykorzystane do zaprojektowania struktury ze zwiększoną dyskryminacją modową.