Modeling and simulation of laterally-corrugated edge waveguide distributed feedback edge-emitting semiconductor lasers

Abstract

This thesis presents some of the results obtained in developing the modelling and simulation of a new surface grating structure – the laterally-corrugated ridge waveguide (LC-RWG). The use of LC-RWG gratings enables the fabrication of distributed feedback (DFB) edge-emitting lasers (EELs) without employing epitaxial overgrowth and limits the charge carrier interaction with the processed interfaces, thus leading to more stable devices cost. A design procedure, involving adjusted modelling, is presented and used for the design of LC-RWG DFB EELs emitting at 894nm. The development of 894 nm LC-RWG DFB EELs for pumping Caesium beam atomic clocks is the goal of the target company project. The fundamentals of the optical modelling approaches are presented together with some details of their MATLAB implementations. One of the approaches employed in the thesis is the Mode Solver method and the other modelling approach employed is the Transfer matrix method. The main contributions presented in this thesis are: (i) the development of a quantitative figure of merit indicating likelihood of single transverse modal behaviour over the whole bias range, (ii) the adjustment of the grating coupling coefficient calculation procedure to particularities of the LC-RWG grating and (iii) the multicriterial analysis of the LC-RWG grating geometry influence on device performance. /Kir10

Tässä työssä tutkitaan hammastettuun harjarakenteeseen (laterally-corrugated ridge waveguide, LC-RWG) perustuvien puolijohdelasereiden mallinnusta ja simulointia. LC-RWG rakenteiden hyödyntäminen rajoittaa varaustenkuljettajien ja työstettyjen pintojen välistä vuorovaikutusta sekä mahdollistaa hajautetusti takaisinkytkettyjen (Distributed feedback, DFB) reunasta emittoivien lasereiden (Edge-Emitting Laser, EEL) valmistamisen ilman epitaksiaalista päällekasvatusta. Työssä esiteltävässä LC-RWG –rakenteiden suunnitteluprosessissa huomioitiin mallinnettavan rakenteen asettamat erityisvaatimukset ja prosessin toimintaa demonstroitiin suunnittelemalla 894 nm aallonpituudella toimiva Cesium-atomikellon optiseen pumppaukseen tarkoitettu LC-RWG DFB EEL. Työn pohjalla olevien optisten mallien lisäksi esitellään pääpiirteittäin, kuinka mallit on toteutettu MATLAB–ympäristössä. Työssä käytettiin Mode-Solver ja siirtomatriisimenetelmiä optiseen mallinnukseen. Tärkeimmät työssä esiteltävät saavutukset ovat (i) poikittaisen yksimuototoiminnan ennustavan kvantitatiivisen ansioluvun kehittäminen, (ii) hilan kytkeytymiskertoimen laskentamenetelmän soveltaminen LC-RWG –rakenteille sekä (iii) monitahoinen analyysi LC-RWG –rakenteiden geometrian vaikutuksista laitteen toimintaan.