Modelowanie nowych struktur laserów VCSEL wykonanych z zastosowaniem selektywnej oksydacji powierzchniowej wewnątrz wnęki rezonansowej, pod kątem uzyskania jednomodowej emisji dużej mocy

Cel badań

Celem niniejszego projektu jest zbadanie wpływu tlenkowych form anty-rezonansowych umieszczonych wewnątrz struktur laserów o emisji powierzchniowej z pionową wnęką rezonansową (VCSEL) na ich własności fizyczne. Standardowo w celu zapewnienia pracy lasera na jednym modzie poprzecznym stosuje się anty-rezonansowe warstwy falowodowe (ARROW) umieszczanych na powierzchni lasera. Jednakże, ich efektywność jest ograniczona z uwagi na niewielkie natężenie światła na powierzchni zwierciadła. Zatem, umieszczenie warstw anty-rezonansowych w głębi struktury lasera powinno zapewnić o wiele wyraźniejszą eliminację modów wyższych rzędów.

W ramach realizacji projektu zbadamy — za pomocą symulacji komputerowych — wpływ struktur ARROW umieszczonych wewnątrz wnęki rezonansowej na właściwości optyczne, elektryczne i cieplne laserów. Badania te pozwolą na zrozumienie fizyki tych nowych struktur oraz na ich optymalizację, co w przyszłości umożliwi opracowanie projektów jednomodowych laserów dużej mocy nowej generacji.

Opracowane w ramach projektu wyniki analizy teoretycznej będą zweryfikowane doświadczalnie, w ramach współpracy międzynarodowej, przez grupę badawczą z Laboratory for Analysis and Architecture of Systems (LAAS-CNRS), która posiada nowatorską technologię pozwalającą na wykonanie selektywnej oksydacji w głębi struktur laserowych o dowolnym kształcie, w tym także zagłębionych struktur ARROW.

Metoda badawcza

Badania proponowane w ramach projektu — w części realizowanej przez Politechnikę Łódzką — mają charakter teoretyczny i zostaną przeprowadzone z użyciem zaawansowanego samouzgodnionego modelu komputerowego opracowanego w Zespole Fotoniki Instytutu Fizyki Politechniki Łódzkiej. Model ten składa się z kilku zasadniczych modułów do obliczeń rozpływu ciepła, struktury pasmowej obszaru czynnego, wzmocnienia materiałowego, rozpływu prądu, transportu nośników oraz zjawisk optycznych. Wzajemna kompatybilność modułów sprawia, że można je dowolnie łączyć, tworząc w ten sposób pakiety obliczeniowe do symulacji przyrządów półprzewodnikowych różnego typu. Zastosowanie analizy numerycznej do badania laserów półprzewodnikowych ma tę zaletę, że umożliwia rozpatrzenie przebiegu poszczególnych zjawisk w laserze w odseparowaniu od innych efektów utrudniających właściwą interpretację wyników badań. Uwzględnianie wybranych zależności w obrębie poszczególnych modułów, jak i powiązań pomiędzy nimi, sprawia, że na drodze obliczeń komputerowych można precyzyjnie wskazać zjawiska fizyczne odpowiedzialne za obserwowane efekty.

Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa

Struktury ARROW są jedną z metod, które próbuje się stosować w celu zwiększenia selektywności modowej laserów, a co za tym idzie, uzyskania pracy na pojedynczym modzie poprzecznym z dużą mocą emitowanego promieniowania. Umieszczenie takiej struktury wewnątrz wnęki rezonansowej lasera umożliwi znaczne zwiększenie jej efektywności. Rezultatem niniejszego projektu będzie dokładne zrozumienie fizyki zjawisk zachodzących w takiej strukturze, które pozwoli na skuteczne projektowanie nowych generacji takich urządzeń. Będzie to stanowić doskonały punkt wyjścia do dalszych prac aplikacyjnych, mających na celu stworzenie jednomodowego lasera dużej mocy o doskonałej jakości, który znajdzie zastosowanie np. w dziedzinie telekomunikacji optycznej.