Szczegóły projektu

Innowacyjność planowanych w ramach projektu przedsięwzięć badawczych

Stworzenie lasera typu VCSEL dużej mocy pracującego na pojedynczym modzie poprzecznym i o stabilnej polaryzacji nie jest zadaniem trywialnym. Prace badawcze planowane w ramach niniejszego projektu mają być istotnym krokiem do powstania takiego lasera. Składać się one będą z dwóch istotnych elementów: opracowania wydajnego trójwymiarowego modelu lasera typu PC-VCSEL wraz z niezbędnym oprogramowaniem oraz zaproponowania projektu konkretnego urządzenia.

Model lasera i oprogramowanie symulujące jego właściwości

W ramach projektu stworzone zostanie kompleksowe oprogramowanie służące do modelowania trójwymiarowych struktur laserów typu VCSEL oraz PC-VCSEL. Oprogramowanie to będzie w nowatorski sposób łączyło wszystkie modele — optyczny, elektryczny i cieplny. Jego główną innowacją będzie uwzględnienie wzajemnych zależności pomiędzy modelami w trójwymiarowej strukturze. Opracowane dotychczas programy — zarówno komercyjne jak i wykorzystywane wewnętrznie przez jednostki badawcze — posiadają różnego rodzaju ograniczenia, uniemożliwiające ścisłe przeprowadzenie takiej symulacji. W szczególności nie stworzono jak dotąd narzędzia, łączącego wszystkie niżej wymienione cechy. Oprogramowanie, które zostanie wykonane w ramach projektu będzie zapewniało:

• w pełni trójwymiarowe modele optyczne, elektryczne i cieplne — w zależności od modelowanej struktury oraz aktualnych potrzeb będą one mogły zostać zredukowane do modeli dwuwymiarowych w sytuacjach gdzie jest to niezbędne z uwagi na skrócenie czasu obliczeń i jednocześnie nie wpłynie istotnie na ich dokładność,
• uwzględnienie wzajemnej zależności pomiędzy nimi w złożonej strukturze,
• możliwość niezależnej analizy modów o różnych polaryzacjach i ich wzajemne porównanie,
• procedury ułatwiające optymalizację badanych struktur.

Stworzone w ten sposób narzędzie pozwoli na efektywne badanie i optymalizację lasera typu PC-VCSEL zapewniającego pracę na pojedynczym modzie podstawowym i kontrolę polaryzacji emitowanego światła.

Ważną cechą nowego oprogramowania będzie jego modularność, pozwalająca na prosty, lub wręcz automatyczny dobór najwłaściwszych wariantów metod obliczeniowych dla konkretnej struktury, w zależności od jej cech i stopnia złożoności. Dzięki temu możliwe będzie modelowanie całej klasy laserów półprzewodnikowych, zarówno o emisji powierzchniowej (co będzie głównym zadaniem programu), jak i o emisji krawędziowej. Ponadto zostanie stworzony zaawansowany graficzny interfejs użytkownika, ułatwiający prace projektowe, kontrolę symulacji i monitorowanie wyników, co ma istotne znaczenie dla firm wytwarzających lasery komercyjnie.

Projekt lasera

Po stworzeniu niezbędnego oprogramowania, prace w ramach projektu zostaną skoncentrowane na zaprojektowaniu prototypu lasera typu PC-VCSEL pracującego na pojedynczym modzie poprzecznym i o stabilnej polaryzacji. W tym celu będziemy dążyć do bądź całkowitego wyeliminowania modów poprzecznych wyższych rzędów, bądź do silnego zróżnicowania strat optycznych pomiędzy modami, co spowoduje, że w dużym zakresie mocy, mody wyższych rzędów nie będą wzbudzane. Podobny mechanizm zostanie zastosowany do zapewnienia wzbudzenia modu o jednej, ściśle określonej polaryzacji. Nowatorskość podejścia polegać będzie na tym, że oba te efekty zostaną osiągnięte jednocześnie, za pomocą anizotropowej struktury periodycznej. Jak dotąd prace badawcze skoncentrowane były wyłącznie na jednym z wyżej wspomnianych zagadnień i pożądane właściwości z zakresie pracy jednomodowej lub stabilnej polaryzacji osiągane były różnymi metodami. Jednakże zastosowanie jednej struktury do realizacji obu celów w znaczący sposób uprości proces wytwarzania tego typu laserów i ich integracji z układami optycznymi.

Harmonogram prac

1. Analiza obecnie istniejących algorytmów i metod numerycznych pozwalających na modelowanie laserów typu PC-VCSEL i określenie możliwości wykorzystania już istniejących technik oraz pól na których konieczna jest ich modyfikacja lub stworzenie nowych metod.
2. Zaprojektowanie ram bazowych programu symulacyjnego oraz standardów wymiany danych pomiędzy poszczególnymi modułami obliczeniowymi, pozwalających na łatwą rozbudowę i wymianę poszczególnych elementów.
3. Stworzenie pierwszego prototypu programu --- zarówno części zarządzającej procesem symulacji, jak i poszczególnych modułów obliczeniowych (po jednym dla modelowania zagadnień cieplnych, elektrycznych i optycznych).
4. Weryfikacja poprawności obliczeń poprzez porównanie z opublikowanymi wynikami doświadczalnymi dla różnych laserów typu PC-VCSEL.
5. Opracowanie dodatkowych modułów obliczeniowych, co da możliwość doboru najefektywniejszego sposobu symulacji w zależności od analizowanej struktury.
6. Stworzenie interfejsu graficznego programu i systemu zdalnego uruchamiania obliczeń, który pozwoli na wykonywanie najbardziej czasochłonnych operacji na wydajnych klastrach obliczeniowych i jednoczesną pracę użytkownika na własnym komputerze (projektowanie badanej struktury, wizualna ocena wyników obliczeń, wprowadzanie niezbędnych modyfikacji).
7. Analiza istniejących struktur laserów PC-VCSEL pod kątem przydatności do zapewnienia pracy na pojedynczym modzie i stabilnej polaryzacji.
8. Zaprojektowanie przykładowych własnych struktur laserów PC-VCSEL i ich analiza pod kątem przydatności do zapewnienia pracy na pojedynczym modzie i stabilnej polaryzacji.
9. Optymalizacja struktur celem uzyskania jak największej dyskryminacji modów wyższych rzędów oraz jednej z polaryzacji. Opracowanie wydajnej struktury lasera dużej mocy pracującego na pojedynczym modzie poprzecznym i o stabilnej polaryzacji promieniowania.