Mikronaltı boyutta litografik yüzey-ışımalı lazer tasarımı ve nümerik analizi

Abstract

Mikronaltı boyutlara sahip lazerler, 3 boyutlu tarama ve algılama teknolojilerinin de gelişmesiyle birlikte büyük hacimli lazerlere karşı sahip oldukları yüksek verim, yüksek modülasyon hızı ve düşük eşik akımı gibi avantajlar sayesinde bu alandaki araştırmaların odak noktası olmuştur. Yüzey-ışımalı lazerlerin mikronaltı boyutlara inebilmesi gerek üretimden kaynaklı yapıda oluşan deformasyonların yol açtığı kayıplar, gerekse optik kipi kavite içinde sınırlandırmak için kullanılan yöntemlerden dolayı oldukça zordur. Bunun ana nedeni, güncel olarak kullanılan oksit-açıklık ve derin-dağlama yöntemleri ile optik kipin ve yük taşıyıcıların aynı anda dalga boyundan daha küçük bir bölgeye hapsedilmesindeki zorluktur. Litografik yüzey-ışımalı lazerlerde optik kip ve yük taşıyıcıların hapsetme işlemleri litografik yöntemler ile sağlandığından küçük boyutlara inebilmeye olanak sağlamaktadır. Bu tez kapsamında litografik yüzey-ışımalı lazer tasarımı geliştirilmiş, optik ve elektriksel özellikleri nümerik yöntemler ile analiz edilmiştir. Kavite parametreleri farklı açıklık çapı değerleri ve efektif kırıcılık indisi farkları için incelenmiştir. Yapı içerisine yerleştirilen fazladan bir katman sayesinde mikronaltı boyutlarda yüksek kalite faktörlerine ulaşılmış ve yapının yüksek güçlü tek-kip operasyon kabiliyetine sahip olduğu gösterilmiştir. Ayrıca ileri besleme gerilim uygulandığı durumda, yerleştirilen bu katman sayesinde yapı içerisinde ters gerilim oluşturulmuş, akımın geçmemesi istenilen bölgelerde yüksek gerilimlerde bile yük taşıyıcıların geçişi durdurulmuştur.

With the emerging 3D scanning and sensing technologies, submicron lasers have become the main focus of the studies due to the advantages they carry compared to the lasers having larger volumes such as high efficiency, high modulation speed, and low threshold. Achieving submicron surface-emitting laser is still challenging because of the difficulties caused by the losses due to the deformation that occurred when fabricating a laser or the techniques employed for the confining the light in a cavity. The main reason for this is the difficulty when confining both photons and charge carriers in a region smaller than the emission wavelength by utilizing conventional techniques such as oxide-aperture and deep-etching. In lithographic surface-emitting lasers, the obstacle preventing alternating techniques reaching submicron dimensions is removed since all confinement mechanisms are provided by the lithographical processes. In the thesis, a new lithographical surface-emitting laser design is presented, and optical and electrical properties are analyzed with numerical methods. Cavity parameters are investigated for different values of the aperture diameter and the effective refractive index difference. With an extra layer placed inside the structure, high-quality factor in submicron dimensions is reached, and it is shown that the cavity can potentially increase single-mode operation power. By using this layer, a reverse-biased region is created when a forward voltage is applied; thus, the flow of the load carriers has been stopped even at high voltages in the areas where the current should not flow.