Distributed waveguide design for reducing thermal load in semiconductor high power lasers
Dağıtık dalga kılavuzu tasarımı ile yüksek güçlü yarıiletken lazerlerde ısıl yükün azaltılması
- Tez No: 928961
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ABDULLAH DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 65
Özet
Yarıiletken lazerler, yüksek verimlilikleri, kompakt boyutları ve düşük maliyetleri sayesinde lazer teknolojisine öncülük etmektedir. Bu lazerler arasında GaAs tabanlı lazer diyotlar (LD), en verimli ışık kaynakları olmalarına rağmen kendiliğinden ısınma nedeniyle hâlâ bazı kısıtlamalara sahiptir. Bu kendiliğinden ısınma, iç sıcaklıkların artmasına yol açarak performansın, çıkış gücünün ve cihaz ömrünün azalmasına neden olur. Geleneksel olarak, epikristal büyütme, tasarım ve paketleme teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde kavite uzunluğunun artırılması ile termal iletkenlik iyileştirilmiş ve bu sorun hafiflemiştir. Ancak günümüzde yüksek güçlü GaAs LD'lerin kavite uzunluğu içsel fiziksel kısıtlamalar nedeniyle yaklaşık 5 mm ile sınırlı kalmakta; bu değerin üzerine çıkıldığında çıkış gücünde azalma gözlenmektedir. Bu çalışma, geleneksel kavite uzunluğu sınırlamalarını aşan yeni bir dalga kılavuzu tasarımı olan“dağıtık dalga kılavuzu”(DWG) kavramını tanıtmaktadır. DWG, dalga kılavuzu boyunca lazer ve ikincil bölümleri bütünleştirir; bu bölümler elektriksel olarak birbirinden izole edilerek akım enjeksiyonu kontrol altına alınır, ancak ışının verimli taşınması için optik olarak bağlantılıdır. Lazer bölümü, istenen ışık çıkışını üretmek amacıyla elektriksel olarak pompalanırken, ikincil bölüm lazer eşik akımı yakınında çalıştırılarak ısının etkin biçimde dağıtılmasını sağlar. Kavite uzunluğunun 4 mm'den 8 mm'ye çıkarılmasıyla DWG LD'ler, önemli ölçüde iyileştirilmiş termal yönetim ve cihaz özellikleri sunmaktadır. Deneysel veriler ve sayısal analizler, DWG'lerin yaklaşık 1,8 kat daha düşük lazer gövde sıcaklıklarında çalıştığını göstermektedir. Ayrıca DWG platformu ve üretim süreci, endüstriyel uygulamaları kolaylaştıracak şekilde standart yarıiletken lazer üretim teknikleriyle tamamen uyumludur. Bu çalışma, yenilikçi dalga kılavuzu tasarımlarıyla kendiliğinden ısınmanın etkili biçimde hafifletilebileceğini ve bu sayede yarıiletken lazerlerde daha yüksek performans, çıkış gücü ve güvenilirlik sağlanabileceğini açıkça göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Semiconductor lasers lead laser technology due to their high efficiency, compact size, and cost-effectiveness. Among these, GaAs-based laser diodes (LDs) are the most efficient light sources, but are still constrained by self-heating, which elevates internal temperatures and degrades performance, output power, and device lifetime. Traditionally, increasing the cavity length has mitigated this issue by improving thermal conductivity, facilitated by advances in epitaxial growth, design, and device packaging. However, the cavity lengths of high-power GaAs LDs are now limited to approximately 5 mm, beyond which the output power declines because of intrinsic physical constraints. This work presents a new type of waveguide design, called distributed waveguide (DWG), that overcomes conventional cavity-length limitations. The DWG integrates lasing and secondary sections along the waveguide, which are electrically isolated to control current injection, yet optically connected for efficient beam transport. The laser section is electrically pumped to generate output, while the secondary section operates near-threshold to dissipate heat effectively. Extending the cavity length from 4 to 8 mm, DWG LDs exhibit significantly improved thermal management with favorable device characteristics. Experimental results, corroborated by numerical analysis, demonstrate that DWGs achieve approximately 1.8× lower junction temperature change while delivering high output power. Additionally, the DWG platform and its fabrication process are fully compatible with standard semiconductor laser manufacturing techniques, ensuring industrial adoption. This work provides clear evidence that innovative waveguide designs can effectively mitigate self-heating, promising enhanced performance, output power, and reliability in semiconductor lasers.
Benzer Tezler
- Thermal management in high-power laser diodes by waveguide design
Yüksek güçlü lazer dıyotlarda dalga kılavuzu tasarımı ıle ısı yönetımı
ALİ KAAN SÜNNETÇİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH DEMİR
- Comparative design of millimeter wave RF-MEMS phase shifters
Milimetre dalga'da karşılaştırmalı RF-MEMES faz kaydırıcı tasarımı
ENİS KOBAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR
- Kablosuz haberleşme için anten tasarımı
Antenna design for wireless communication
HEMRAH HIVEHCHI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Aydın ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SAEID KARAMZADEH
- 2-8 MBit/s fiber optik hat teçhizatı arayüz devresinin sahada programlanabilir kapı dizisi ile tasarlanması ve gerçeklenmesi
Designing and implementing 2MBit/s and 8 MBit/s fiber optic line terminating equipment interface circuit by using field programmable gate array
ÜMİT GÖĞÜSGEREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU
- Development of a rectenna with a siw cavity backed slot antenna and a fabry-pêrot antenna
Sıw oyukla arkalandırılmış anten ve fabry-pêrot anten ile doğrultucu antenlerin geliştirilmesi
EFECAN BOZULU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE ÖZLEM AYDIN ÇİVİ