Lithographically defined optical micro and nanocavities for enhanced photonic performance
Gelişmiş fotonik performans için litografik olarak tanımlanmış optik mikro ve nano kovuklar
- Tez No: 991141
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH DEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- 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 (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Mikrosütun ve oksit-açıklık tasarımları gibi küçük ölçekli lazerlerde kullanılan geleneksel optik kovuklar, özellikle dalga boyu veya dalga boyu altı boyutlarında ve kuantum fotonik, yüksek güçlü dizinler ve düşük tutarlılıklı ışık kaynakları gibi gelişmiş uygulamalarda ölçeklenebilirlik, güvenilirlik ve fotonik hapsetme üzerinde hassas kontrol açısından sınırlamalarla karşı karşıyadır. Bu tezde, gelişmiş optik mikro ve nano kovuklar oluşturmak için çok yönlü bir platform olarak litografik olarak tanımlanmış bir kovuk (Li-kovuk) önerilmiş ve araştırılmıştır. Li-kovuk, dikey düzlemsel bir yapıda gömülü bir mesa kusuru içerir ve etkili kırılma indisi kontrastı yoluyla enine fotonik hapsetme sağlarken elektriksel enjeksiyonla da uyumludur. Bu çalışma, üç temel hedef için Li-kovukların optik özelliklerini, tasarım seçeneklerini ve cihaz düzeyindeki uygulamalarını sistematik olarak keşfetmeyi amaçlamaktadır: (i) yüksek kalite (Q) ve Purcell faktör değerlerine sahip mikro ve nano kovuklar, (ii) düşük ıraksama ve yüksek parlaklıklı yayıcı dizinleri ve (iii) düşük tutarlılığa sahip dikey-kovuk ışık kaynakları. Gerçekçi yapısal kısıtlamalar altında Li-kovuklarını analiz etmek için kapsamlı üç boyutlu optik model kullanılmıştır. Sonuçlar, Li-kovuklarının, geleneksel kovuk tasarımlarına kıyasla daha geniş bir aralıkta tek modlu çalışmayı korurken, yüksek Q ve Purcell faktörleriyle dalga boyu ve dalga boyu altı açıklık boyutlarında güçlü bir hapsetme elde edebileceğini göstermektedir. Bu sonuçlara dayanarak, Li-kovuk mimarileri, hem optik pompalı çalışma için dielektrik üst aynalara sahip hibrit tasarımları hem de elektriksel enjeksiyon ve akım hapsetmeye uygun tamamen epitaksiyel yapıları kapsayan dikey-kovuk yüzey-ışımalı lazerlere (Li-VCSEL'lere) genişletilmiştir. Litografik tasarım özgürlüğünden yararlanmak için, hüzme sapması kontrolü için Li-kovuk yayıcı dizinleri de tasarlanmış ve analiz edilmiştir. Altıgen olarak düzenlenmiş Li-kovuk dizinlerinin, tek modlu çalışmayı korurken dar uzak-alan hüzme sapma açılarını desteklediği, düşük sapmalı ve yüksek parlaklıklı ışık kaynaklarına giden bir yol sunduğu gösterilmiştir. Son olarak, karmaşık açıklıklı Li-kovuklar, mekansal ve zamansal tutarlılığı özelleştirmek için genel bir çerçeve olarak sunulmuştur. Rastgele dağılımlara dayalı karmaşık enine geometriler üreterek, neredeyse eş Q faktörlerine sahip çok sayıda enine modu destekleyen Li-kovuklar elde edilmiş ve bu da özünde düşük tutarlılıklı emisyona olanak sağlamıştır. Bu tasarımlara dayalı karmaşık Li-VCSEL cihazları üretilmiş ve optik olarak karakterize edilmiştir. Giriş-ışık−çıkış-ışık karakteristikleri, yakın-alan hüzme profilleri, emisyon tayfları ve benek kontrastlarının ölçümleri, sayısal analizlerle iyi bir uyum içinde, azaltılmış hüzme tutarlılığına sahip çok modlu lazer olarak çalışmayı doğrulamaktadır. Bulgular, Li-kovukların, basit litografik üretim yoluyla yüksek Q'lu fotonik hapsetme, hüzme kontrolü ve tutarlılık mühendisliği için uygun, güçlü ve esnek bir platform olduğunu ortaya koymaktadır. Çeşitli malzeme ve dalga boylarına uyum sağlayabilen bu yapılar, kompakt lazerler, kuantum fotonik cihazlar ve düşük benekli aydınlatma üzerinde dönüştürücü etkiler vaat etmektedir.
Özet (Çeviri)
Conventional optical cavities utilized in small-scale lasers, such as micropillar and oxide-aperture designs, face limitations in scalability, reliability, and precise control over photonic confinement, particularly for wavelength or sub-wavelength dimensions, and advanced applications like quantum photonics, high-power arrays, and low-coherence light sources. In this thesis, a lithographically defined cavity (Li-cavity) is proposed and investigated as a versatile platform for realizing advanced optical micro and nanocavities. The Li-cavity incorporates a buried mesa defect in a vertically planar structure, providing transverse photonic confinement through effective refractive index contrast while remaining compatible with electrical injection. This study aims to systematically explore the optical properties, design options, and device-level implementations of Li-cavities for three primary targets: (i) high-Q micro and nanocavities with high Purcell-enhancement, (ii) low-divergence and high-brightness emitter arrays, and (iii) low-coherence vertical-cavity light sources. A comprehensive three-dimensional optical model is employed to analyze the Li-cavities under realistic structural constraints. The results demonstrate that Li-cavities can achieve robust confinement with high Q and Purcell factors at wavelength- and sub-wavelength-scale aperture sizes, while preserving single-mode operation over a broader range compared to conventional cavity designs. Based on these results, Li-cavity architectures have been extended to vertical-cavity surface-emitting lasers (Li-VCSELs), encompassing both hybrid designs with dielectric top mirrors for optically pumped operation and fully epitaxial structures suitable for electrical injection and current confinement. To exploit the lithographic design freedom for beam divergence control, Li-cavity emitter arrays are also designed and analyzed. Hexagonally arranged Li-cavity arrays are shown to support narrow far-field beam divergence angles while maintaining single-mode operation, offering a path toward low-divergence and high-brightness light sources. Finally, complex-aperture Li-cavities are introduced as a general framework for tailoring spatial and temporal coherence. By generating complex transverse geometries based on random distributions, Li-cavities are obtained that support a large number of transverse modes with nearly uniform Q factors, enabling intrinsically low-coherence emission. Complex Li-VCSEL devices based on these designs are fabricated and optically characterized. Measurements of light-in–light-out characteristics, near-field beam profiles, emission spectra, and speckle contrasts confirm multi-mode lasing with reduced beam coherence, in good agreement with the numerical analyses. The findings establish Li-cavities as a powerful and flexible platform, suitable for high-Q photonic confinement, beam control, and coherence engineering through straightforward lithographic fabrication. Adaptable to diverse materials and wavelengths, they promise transformative impacts on compact lasers, quantum photonic devices, and low-speckle illumination.
Benzer Tezler
- Wavelength-scale lithographic vertical-cavity surface-emitting laser (LI-VCSEL)
Başlık çevirisi yok
ABDULMALIK ABDULKADIR MADIGAWA
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH DEMIR
- Scanning-probe study of dopant charging in a semiconductor heterostructure
Başlık çevirisi yok
CEMİL KAYIŞ
- Development of a nanogap fabrication method for applications in nanoelectromechanical systems and nanoelectronics
Nanoelektromekanik sistemler ve nanoelektronik uygulamalarına yönelik bir nanoaralık üretim yönteminin geliştirilmesi
ANIL GÜNAY DEMİRKOL
Doktora
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMET İNÖNÜ KAYA
- Preparation and characterization of nanomagnets showing spin-transfer torque effects
Spin transfer tork etkisi sergileyen nanomagnetlerin hazırlanması ve karakterizasyonlarının belirlenmesi
ŞABAN TIRPANCI
Doktora
İngilizce
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEKİR AKTAŞ
- New laser technologies: analysis of quantum dot and lithographic laser diodes
Yeni lazer teknolojileri: kuantum nokta ve litografik lazer diyotların analizi
ABDULLAH DEMİR
Doktora
İngilizce
2010
Fizik ve Fizik MühendisliğiUnıversıty Of Central FlorıdaOptik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENNIS DEPPE