Modelowanie jednomodowych laserów półprzewodnikowych emitujących powierzchniowo promieniowanie podczerwone

Niniejsza monografia dotyczy numerycznej analizy i optymalizacji półprzewodnikowych laserów o emisji powierzchniowej, zarówno laserów typu VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), jak i optycznie oraz elektrycznie pompowanych laserów typu VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) emitujących promieniowanie z zakresu 1310-1550 nm. Praca skupia się na analizie rozwiązań konstrukcyjnych umożliwiających uzyskanie maksymalnej mocy i/lub maksymalnej sprawności w reżimie emisji jednomodowej. Część pracy dotycząca opisu uzyskanych wyników podzielona jest na trzy rozdziały dotyczące analizy laserów typu VCSEL, analizy optycznie pobudzanych laserów typu VECSEL (OP-VECSEL) oraz elektrycznie pobudzanych laserów typu VECSEL (EP-VECSEL). Każdy z trzech rozdziałów odnosi się do analizy wcześniej wykonanych struktur laserowych przez zespół Laboratory of Physics of Nanostructures, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) w Szwajcarii, dzięki czemu parametry wykorzystywanych modeli numerycznych mogły być dobrane w taki sposób, aby precyzyjnie odtwarzały zachowania rzeczywistych struktur laserowych. W związku z powyższym każdy z trzech rozdziałów poświęcony opisowi uzyskanych wyników poprzedzony jest analizą porównawczą laserowych charakterystyk eksperymentalnych i numerycznych(...)

Optimal parameters of monolithic high-contrast grating mirrors

In this Letter a fully vectorial numerical model is used to search for the construction parameters of monolithic high-contrast grating (MHCG) mirrors providing maximal power reflectance. We determine the design parameters of highly reflecting MHCG mirrors where the etching depth of the stripes is less than two wavelengths in free space. We analyze MHCGs in a broad range of real refractive index values corresponding to most of the common optoelectronic materials in use today. Our results comprise a complete image of possible highly reflecting MHCG mirror constructions for potential use in optoelectronic devices and systems. We support the numerical analysis by experimental verification of the high reflectance via a GaAs MHCG designed for a wavelength of 980 nm

Concept of Inverted Refractive-Index-Contrast Grating Mirror and Exemplary Fabrication by 3D Microprinting

Highly reflective mirrors are indispensable components in a variety of state-of-the-art photonic devices. Typically used, bulky, multi-layered distributed Bragg (DBR) reflectors are limited to lattice-matched semiconductors or nonconductive dielectrics. Here, we introduce an inverted refractive-index-contrast grating (ICG), as compact, single layer alternative to DBR. In the ICG, a subwavelength one-dimensional grating made of a low refractive index material is implemented on a high refractive index cladding. Our numerical simulations show that the ICG provides nearly total optical power reflectance for the light incident from the side of the cladding whenever the refractive index of the grating exceeds 1.75, irrespective of the refractive index of the cladding. Additionally, the ICG enables polarization discrimination and phase tuning of the reflected and transmitted light, the property not achievable with the DBR. We experimentally demonstrate a proof-of-concept ICG fabricated according to the proposed design, using the technique of 3D microprinting in which thin stripes of IP-Dip photoresist are deposited on a Si cladding. This one-step method avoids laborious and often destructive etching-based procedures for grating structuration, making it possible to implement the grating on any arbitrary cladding material

Spatial-Mode Discrimination in Guided and Antiguided Arrays of Long-Wavelength VCSELs

Three means of optical confinement imposed on InAlGaAs/InP 1.3 mu m VCSEL arrays are investigated with self-consistent numerical model of laser operation. Laterally patterned tunnel junction (TJ), in-build guiding realized with air-gap patterning, and antiguiding schemes are investigated and optimized to achieve single-mode operation. The analysis shows that mode discrimination in laterally patterned TJ is very responsive to the injected current, the air-gap patterning reduces influence of the working conditions and supports multimode operation, and finally, antiguiding schemes provide single-mode operation for prescribed geometrical design

Impact of Stripe Shape on the Reflectivity of Monolithic High Contrast Gratings

Monolithic high contrast gratings (MHCGs) composed of a one-dimensional grating patterned in a monolithic layer provide up to 100% optical power reflectance and can be fabricated in almost any semiconductor and dielectric material used in modern optoelectronics. MHCGs enable monolithic integration, polarization selectivity, and versatile phase tuning. They can be from 10 to 20 times thinner than distributed Bragg reflectors. The subwavelength dimensions of MHCGs significantly reduce the possibility of ensuring the smoothness of the sidewalls of the MHCG stripes and make precise control of the shape of the MHCG stripe cross-section difficult during the etching process. The question is then whether it is more beneficial to improve the etching methods to obtain a perfect cross-section shape, as assumed by the design, or whether it is possible to find geometrical parameters that enable high optical power reflectance using the shape that a given etching method provides. Here, we present a numerical study supported by the experimental characterization of MHCGs fabricated in various materials using a variety of common surface nanometer-scale shaping methods. We demonstrate that MHCG stripes with an arbitrary cross-section shape can provide optical power reflectance of nearly 100%, which greatly relaxes their fabrication requirements. Moreover, we show that optical power reflectance exceeding 99% with a record spectral bandwidth of more than 20% can be achieved for quasi-Trapezoidal cross-sections of MHCGs. We also show that sidewall corrugations of the MHCG stripes have only a slight impact on MHCG optical power reflectance if the amplitude of the corrugation is less than 16% of the MHCG period. This level of stripe fabrication precision can be achieved using the most current surface etching methods. Our results are significant for the design and production of a variety of photonic devices employing MHCGs. The flexibility with regard to cross-section shape facilitates the reliable fabrication of highly reflective subwavelength grating mirrors. This in turn will enable the manufacture of monolithically integrated high-quality-factor optical micro-and nanocavity devices

Porównanie metod symulacji właściwości optycznych laserów VCSEL

Institute of Physics, Lodz University of TechnologyInstytut Fizyki, Politechnika ŁódzkaThis paper presents the differences arising from the use of scalar (Effective Frequency Method) and vector (Fourier’s and Bessel’s Admittance Methods) calculation methods in optical analysis of arsenide Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs). Discussed results demonstrate that the vector methods are more accurate than the scalar one, but also they are more time consuming. By comparing two vector methods, it can be seen that the Bessel’s Admittance Method allows to obtain similar qualitatively and quantitatively results in a slightly shorter time. The calculations were performed for structures with varied aperture radius and its location in the resonant cavity. Moreover, this paper includes the comparison of calculation results for a structure in which there are layers with gradually changing refractive index, and the structure in which these layers are replaced by a layer with a constant average refractive index.W niniejszej pracy przedstawiono wyniki obliczeń propagacji emitowanej fali elektromagnetycznej (jej długości i czasu życia fotonów) dla arsenkowego lasera typu VCSEL. Celem pracy jest przedstawienie różnic płynących z zastosowania skalarnych i wektorowych metod obliczeniowych. Omówione wyniki pokazują, iż metody wektorowe są dużo dokładniejsze od metody skalarnej, ale jednocześnie bardziej czasochłonne. Obliczenia przeprowadzono dla struktur różniących się wartością średnicy apertury oraz jej położeniem wzdłuż wnęki rezonansowej. Ponadto metodą skalarną wykonano obliczenia dla struktury, w której występują warstwy o gradientowo zmieniającym się współczynniku załamania, oraz dla struktury, w której warstwy te zastąpiono warstwą pośrednią o stałym współczynniku załamania. Celem pracy jest również pokazanie różnic w wynikach otrzymanych dla powyższych przypadków

Podfalowe siatki dyfrakcyjne o wysokim kontraście współczynnika załamania światła jako sensory optyczne

Subwavelength high contrast gratings (HCG) can be used as high reflective mirrors and can be used as mirrors of vertical-cavity surface-emitting lasers. HCG mirrors can be designed in such a way that they are extremely sensitive to environmental changes - changes in the refractive index of ambient substance or changes in the absorption coefficient may cause changes in mirror reflectivity. This phenomenon can be used to detect liquids and gases. In this paper we present analysis of HCG properties. We consider the various HCG mirror designs and the possibilities of detecting gases and liquids.Zwierciadła HCG to podfalowe siatki dyfrakcyjne wykonane z materiału o wysokim współczynniku załamania światła. Mogą one zostać wykorzystane jako zwierciadła o wysokiej odbijalności w laserach typu VCSEL. Zwierciadła HCG można zaprojektować w taki sposób, że będą wyjątkowo czułe na zmiany współczynnika załamania światła lub współczynnika absorpcji w otoczeniu zwierciadła. Zmiana tych parametrów powoduje zmianę odbijalności zwierciadła HCG. Zjawisko to może być wykorzystane w sensorach optycznych. W niniejszej pracy prezentujemy analizę właściwości zwierciadeł HCG. Rozważamy różne struktury zwierciadeł HCG i pokazujemy, że mogą być one wykorzystane do detekcji gazów i cieczy

Shaping vertical-cavity surface-emitting laser mode profiles with an antiresonant oxide island for improved single-mode emission

International audienceSingle-mode emission is one of the most significant problems in vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). To solve it, we propose to embed an antiresonant oxide island inside the VCSEL cavity using a novel planar oxidation technique. This oxide island has a strong impact on the shape of the lateral mode profiles and affects the values of photon lifetimes associated with each mode. In this work, we investigate the physical origin of this impact and determine the dimensions of the oxide island that provide the strongest modal discrimination

Antiresonant Oxide Island as a Measure for Improved Single-Mode Emission in VCSELs

International audienc