Kip (MOD) kilitlemeli ve Q-anahtarlamalı diyot lazer üretimi
Mode locked and Q-switched laser diode fabrication
Yazar: ÇAĞLAR DUMAN
Danışman: PROF. DR. BÜLENT ÇAKMAK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dinamik modelleme = Dynamic modelling ; Dispersiyon = Dispersion

Özet:
Yarıiletken lazerler (lazer diyotlar veya diyot lazerler), optik haberleşme sistemleri, optik kaydedici ve okuyucu sistemler (CD, DVD gibi), medikal uygulamalar, savunma sistemleri, katıhal lazer sürücüleri, lazer yazıcıları, ışıklı imleçler (luminous pointers) ve bilimsel ölçüm sistemleri gibi alanlarda yaygın kullanıma sahiptir. Bu tezde; 1300nm ve 1550nm, iki kontaklı yarıiletken lazerler tasarlandı ve fabrikasyonları gerçekleştirildi. Bu dalgaboyları yakınlarında fiber optik kabloların zayıflatıcılığı çok düşük olduğundan bu dalgaboylarında çalışan lazer diyotlar fiber optik haberleşme sistemleri için çok önemlidir. İki kontaklı üretilen lazerlerde, kontakların biri iletim ve diğeri tıkama yönünde sürülerek, lazerde sırasıyla kazanç ve soğurma bölgeleri elde edilebilir. Mod kilitleme ve Q-anahtarlama teknikleri kullanılarak da bu tip lazerlerden çok kısa süreli ve yüksek güçlü optik darbeler üretilebilir. Kısa süreli ve yüksek güçlü optik darbeler düşük kayıplı fiber iletişimi, tümleşik optik, optik anahtarlama, serbest uzay haberleşmesi, mesafe tayini, algılama ve spektroskopi gibi birçok uygulama için elverişlidir. Lazer kavitesindeki dispersiyonun önlenmesi ile optik darbe süresi önemli ölçüde azaltılabilir. Bu amaçla kavite içinde negatif dispersiyon sağlayan Bragg ve çirpli aynalar kullanılabilir. Bu aynaların yüksek yansıtıcılıkları sayesinde, kavitedeki optik geri besleme artar ve lazer performansı yükselir. Bu amaçla, aynaların yansıtıcılığını ve dispersiyonunu hesaplamada kullanılabilen ayna transfer matrislerini hesaplayan bir bilgisayar yazılımı hazırlandı. Aynaların Bragg veya çirpli oluşlarına göre aynı veya farklı kalınlıktaki hava/yarıiletken tabaka çiftlerinden oluşturuldu. Hava ve yarıiletken arasındaki yüksek kırılma indisi farkından yararlanılarak az sayıda tabaka ile yüksek yansıtıcılık elde edilebildi. Çirpli ayna yapılarındaki tabaka kalınlıkları farklı olabildiğinden istenilen miktarda negatif dispersiyon da elde edildi. Tasarlanan aynaların lazerlere fabrikasyonu için odaklamalı iyon ışını dağlama (FIBE) metodu kullanıldı. İlerleyen dalga denklemleri (travelling wave equations) ve taşıyıcı oran denklemleri (carrier rate equations) kullanılarak yarıiletken lazerlerin dinamik modeli elde edildi. Modelimizde iki bölmeli DBR lazer kullanıldı. Son olarak mod kilitlemeli yarıiletken lazerin darbe süresine çeşitli lazer parametrelerinin etkisi açıklandı.

Abstract:
Semiconductor lasers (laser diodes) are widely used in many fields such as optical communication systems, optical recorders and readers (CD, DVD etc.), medical applications, defense industry, solid state laser drivers, laser printers, luminous pointers and scientific measurement systems etc. In this thesis, two-contact semiconductor lasers with 1300nm and 1550nm have been designed and fabricated. Laser diodes lasing at these wavelengths are very important for optical fiber communication systems because attenuation of the fibers is very low at this spectrum window. Lasers have been fabricated with two contacts to create gain and absorber sections, which are forward and reverse biased, respectively.  These type of lasers can be used to obtain very short duration and high power optical pulses by using mode locking and Q-switching techniques. Optical pulses with short duration and high power are suitable for some applications such as low-loss optical fiber communications, integrated optics, optical switching, free-space communications, ranging, sensing, and spectroscopy. If dispersion in laser is prevented, optical pulse duration can be reduced significantly. For this purpose, Bragg and chirped mirrors with negative dispersion have been created in the cavity of the lasers. Due to high reflectivity of these mirrors, optical feedback in laser cavity increases and, thus laser performance improves. A computer software has been prepared to obtain transfer matrixes which have been used to calculate reflectivity and dispersion of the mirrors. Depending on mirror type (Bragg or chirped), mirrors have consisted of air/semiconductor layer pairs with varying or constant thicknesses. Utilizing high refractive index difference between air and semiconductor layers very high reflectivity has been produced with a few number of air/semiconductor layers. Thus a desired amount of negative dispersion has been obtained by using air/semiconductor layer pairs (chirped mirrors) with varying thicknesses. Focused ion beam etching (FIBE) has been used to manufacture the chirped mirrors on the lasers. A dynamic model of the semiconductor lasers has been obtained using travelling wave and carrier rate equations. Two section DBR laser has been used in our model. We finally reported the effect of various laser parameters on pulse duration of mode-locked semiconductor lasers.