Schubert, Martin

Denne afhandling beskriver design, fabrikation og karakterisering af fotoniske krystal membranlaserer. Hovedvægten er lagt på fotoniske krystal kavitetslaserer, som er undersøgt i stor detalje. Kavitetstypen som primært er blevet undersøgt består af en defekt dannet af et manglende hul i det kvadratiske gitter. Forskellige processeringstekniker er blevet udviklet for at kunne fabrikere fotoniske krystaller kvante i Gallium-arsenid med kvantepunkter som forstærkningsmedium og i Indium-gallium-arsenid-phosfid med kvantebrønde som forstærkningsmedium. Der er identificeret adskillige punkter der er afgørende for at sikre god en kvalitet af de fotoniske krystaller, såsom størrelsen og materialet af bærewaferen vedi III-V ætsningen samt vigtigheden af at fjerne alle rester fra elektronstrålelitografimasken efter ætsningen af hårdmasken. Der er udført detaljerede simuleringer for et simpelt system med to koblede kaviteter i forskellige koblingsretninger. Resultaterne er i god overensstemmelse med standardteori for koblede tilstande. Herudover er en ny type af fotoniske krystalstrukturer foreslået - kaldet en lambdaskiftet kavitet, hvilet er en to-dimensionel fotonisk krystal analog til en VCSEL laser. Detaljerede målinger af den koblede tilstande i fotoniske krystaller med kvantepunkter er blevet udført. I overensstemmelse med en simpel model er det vist at strukturerne ikke udviser stimuleret lysudsendelseemission. Den spektrale opsplitning der opstår på grund af koblingen mellem enkelte kaviteter såvel som mellem arrays af kaviteter er studeret teoretisk og eksperimentelt. Laseropførsel er observeret på for fotoniske krystalkavitetsstrukturer med kvantebrønde. En detaljeret analyse er blevet udført på enkelte kaviteter, på to koblede kaviteter samt på arrays af koblede kaviteter. Lasertæsklen er bestemt ved at måle fotoluminisense intensitetens afhængigt af excitationseffekten. Ændringer i liniebredden og centerpositionen for forskellige excitationseffekter bekræfter resultatet. Mens store arrays af koblede kaviteter udviser laseropførsel ved en enkelt frekvent, er laseropførsel ved mange samtidige bølgelængder demonstreret i strukturer med kun få koblede kaviteter. Herudover er laseropførsel også blevet observeret i de forudsagte lambda-skiftede kaviteter. Simuleringer er udført for at bestemme de teoretiske Q-faktorer og modevolumner af disse nye strukturer.This thesis describes the design, fabrication and characterization of photonic crystal slab lasers. The main focus is on coupled photonic crystal cavity lasers which are examined in great detail. The cavity type which is mainly explored consists of a defect formed by a single missing hole in the quadratic lattice. Processing techniques are developed and optimized in order fabricate photonic crystals membranes in gallium arsenide with quantum dots as gain medium and in indium gallium arsenide phosphide with quantum wells as gain medium. Several key issues in process to ensure good quality are identified such as the size and material for the carrier wafer in the III-V etch and the importance of removing all remains of the e-beam lithography mask after the etch of the hard mask. Detailed simulations are shown for a simple system with two coupled cavities in different coupling directions. The results are in good agreement with standard coupled mode theory. Also a novel type of photonic crystal structure is proposed called lambda shifted cavity which is a twodimensional photonic crystal laser analog of a VCSEL laser. Detailed measurements of the coupled modes in the photonic crystals with quantum dots are carried out. In agreement with a simple gain model the structures do not show stimulated emission. The spectral splitting due to the coupling between single cavities as well as arrays of cavities is studied theoretically and experimentally. Lasing is observed for photonic crystal cavity structures with quantum wells. A detailed Analysis is conducted on single cavities, two coupled cavities and arrays of coupled cavities. The lasing threshold is determined by measuring the photoluminescence intensity depending on the excitation power. Changes in the linewidth and peak position for different powers confirm the results. While large arrays of coupled cavities exhibit lasing at a single frequency, multimode lasing is demonstrated in structures with only a few coupled cavities. Moreover, lasing is also observed in the lambda shifted cavities. Simulations are shown to determine the theoretical Q factors and mode volumes of these novel structures

Online Research Database In Technology

Coupled Photonic Crystal Cavity Array Laser

http://orbit.dtu.dk/ws/files/6274405/Thesis%20print%20final.pdf

Coupled Photonic Crystal Cavity Array Laser

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology