Thermal management in high-power laser diodes by waveguide design
Yüksek güçlü lazer dıyotlarda dalga kılavuzu tasarımı ıle ısı yönetımı
- Tez No: 830386
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mühendislik Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 61
Özet
Yarıiletken lazer diyotlar (LD'ler) yüksek verimlilikleriyle tanınır ancak performansları yüksek çalışma akımları ve güçlerinde ısıyı yönetme zorluğu nedeniyle tehlikeye girer. LD'lerin yoğun ısı yükleri sıcaklıklarının kritik seviyelere ulaşmasına yol açarak yıkıcı optik hasar (COD) ile cihaz ölümüne yol açabilir. COD'nin kök nedenini anlamak, güvenilirliklerini artırmak ve çalışma çıkış gücünü geliştirmek için büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışması LD'lerin ısınma mekanizmalarını araştırarak ısıl iyileştirme için yeni dalga kılavuzu tasarımları sunmaktadır. Öncelikle, deneyler ve üç boyutlu ısı transferi simülasyon modeli aracılığıyla dalga kılavuzu genişliğinin COD üzerindeki etkisini araştırdık. Bulgularımız, geniş ve dar dalga kılavuzu yapılarına sahip LD'lerin ısı dağılımları arasında belirgin farklar ortaya koydu. Sonrasında, dalga kılavuzunda elektriksel olarak izole edilmiş bölümler kullanan iki farklı türde yüksek güçlü LD tasarladık ve ürettik. İlk tasarımda iki bölümlü dalga kılavuz yapısı üzerine çalıştık. Bu tasarımda çıkış yüzeyine yakın bir bölümün düşük akımda çalışmasıyla saydamlığı sağlanarak lazer bölümünün ısınması lazer çıkış yüzeyinden uzaklaştırıldı. Bu sayede lazer sıcaklıklarından daha düşük seviyede lazer çıkış yüzeyi sıcaklıkları elde ederek yıkıcı optik ayna hasarı (COMD) ortadan kaldırdı. İkinci olarak dağıtılmış dalga kılavuzu (DWG) tasarımı sunuldu. Bu yaklaşımda, lazer bölümleri arasında pasif saydam bölümler oluşturularak ısı dağılımı alanını artırmak amaçlandı. Gösterildiği gibi ısı dalga kılavuzu boyunca dağıtılarak LD sıcaklığı başarıyla azaltıldı. Bu bulgular, ömür ve güvenilirlik açısından önemli ölçüde geliştirilmiş LD cihazları elde etmek ve ısıl yükü yönetmek konusunda rehber niteliği taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
Semiconductor edge-emitting laser diodes (LDs) are known for their high efficiencies but face challenges in managing self-heating at high operating currents and output powers. The excessive heat density experienced by LDs can lead to critical temperature levels, resulting in catastrophic optical damage (COD) and device failure. Understanding the root cause of COD is crucial for enhancing their reliability and operating output power. This thesis investigates the self-heating mechanism in LDs and introduces novel waveguide designs for thermal management. Initially, we experimentally analyzed LDs with varying waveguide widths to uncover the cause of their failure mechanism. Narrower waveguide LDs achieved higher output power densities but maintained lower internal and facet temperatures. The thermal simulation results showed that narrower waveguide LDs exhibit improved three-dimensional heat dissipation, reducing internal and facet temperatures. The results clarified the fundamental reasons behind the superior reliability of narrower waveguide LDs. Next, we designed and fabricated LDs with two different types of waveguides for their thermal management. The first design introduced a two-section waveguide, which moved the laser section heating away from the facet by positioning a window section near the output facet that is pumped to transparency. This approach reduced facet temperature below the laser internal temperature and eliminated the catastrophic optical mirror damage (COMD) failure. The second design, a distributed waveguide (DWG), increased the lateral heat-dissipation area with passive sections between the laser sections. This method achieved LD cooling by effectively dissipating self-heating and reducing the facet temperature. These findings provide valuable guidance for thermal management to realize LDs with significantly improved reliability and lifetime.
Benzer Tezler
- Novel concepts in high power semiconductor lasers
Yüksek güçlü yarıiletken lazerlerde yeni kavramlar
SEVAL ARSLAN
Doktora
İngilizce
2018
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ GÜLSEREN
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Advanced power scaling techniques for multi-kW SM fiber MOPA: Glass-cladding technology and in-band pumping
Başlık çevirisi yok
BÜŞRA METE
Doktora
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİ NECATİ ECEVİT
DR. SALİH KAĞAN KALYONCU
- An investigation into mechanical and thermal characteristics of synthetic jet actuators with compact packaging
Başlık çevirisi yok
ONURALP IŞIL
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
DR. ÖĞR. ÜYESİ POLAT ŞENDUR
- Ortodontik seramik braketlerin laser ile sökülmesinin incelenmesi
Investigation of laser debonding of orthodontic ceramic brackets
LERNA DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ
PROF. DR. MURAT GÜLSOY
- Diz osteoartritinde yüksek yoğunluklu lazer tedavisi ile ultrason ve kısa dalga diatermi tedavisinin ağrı ve fonksiyonellik üzerine etkisi
A comparison of the effects of hi̇lt and ultrasound , short-wave diathermy on pain and functionality in knee osteoarthritis
ALİ ERTU MUTLU
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2016
Fiziksel Tıp ve RehabilitasyonAbant İzzet Baysal ÜniversitesiFiziksel Tıp ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞİRZAT ÇOĞALGİL
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BOYRAZ