High-power single-mode semiconductor laser via non-hermitian spatial mode filtering
Hermitsel olmayan uzamsal mod filtreleme ile yüksek güçlü tek modlu yarı iletken lazer
- Tez No: 991336
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Bilim ve Teknoloji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Engineering Sciences, Science and Technology, Physics and Physics Engineering
- 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
Hermitsel olmayan fotonikteki son gelişmeler, yarı iletken lazerlerde optik modların kontrolü için yeni stratejiler sağlamıştır. Özellikle, yarı parite-zaman simetrik (q-PTS) yapılar, daha yüksek mertebeden modlara seçici optik kayıp eklenmesini sağlayarak verimli mod kontrolü ve gelişmiş ışın kalitesi sunan bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Bu yöntem, yüksek çıkış gücünü tek uzamsal modlu çalışma ile birleştiren elektriksel olarak pompalanan kenar ışımalı lazerlerin geliştirilmesini sağlamıştır. Bununla birlikte, tek modlu ışımayı daha yüksek güç seviyelerine ölçeklendirmek önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Bu, ya dalga kılavuzları arasındaki optik kuplaj gücünü artırarak ya da pasif dalga kılavuzundaki kaybı artırarak istisnai noktanın kaydırılmasını gerektirir. Daha güçlü kuplaj, üretim sınırları ve akım kaçağı riskiyle kısıtlanan azaltılmış dalga kılavuzu aralığını gerektirirken, artan pasif dalga kılavuzu kaybı hem tasarım sadeliğini hem de cihaz verimliliğini tehlikeye atabilir. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için, bu tez yeni bir geliştirilmiş q-PTS lazer mimarisi önermekte ve deneysel olarak göstermektedir. Tek bir pasif partner dalga kılavuzuna dayanan geleneksel q-PTS tasarımlarının aksine, önerilen yaklaşım, kazanç dalga kılavuzuna bitişik yerleştirilmiş çoklu pasif dalga kılavuzlarından oluşan diziler kullanır. Bu yapılandırma, üretim karmaşıklığını artırmadan veya temel modu bozmadan, daha yüksek dereceli modlar için mod seçici kaybı ve etkili kuplajı artırır. Lazer yapıları, istisnai noktayı daha yüksek kazanç değerlerine doğru kaydırmak ve böylece kararlı tek modlu çalışma rejimini genişletmek için birleştirilmiş mod teorisi ve modal kazanç analizi kullanılarak tasarlanmıştır. Üretilen GaAs tabanlı lazerler, bir, iki, dört ve altı pasif dalga kılavuzundan oluşan diziler içerir. Geleneksel tek dalga kılavuzlu lazerlerle sistematik karşılaştırmalar, yakın alan ve uzak alan ışın profillemesi, ışık-akım karakterizasyonu, spektral ölçümler ve M² ışın kalitesi analizi yoluyla gerçekleştirilir. Deneysel sonuçlar, geliştirilmiş q-PTS tasarımının, aksi takdirde çok modlu bir rejimde çalışacak olan, elektrikle pompalanan, geniş alanlı kenar yayıcı lazer diyotlarda 1 W'a kadar çıkış güçlerinde tek uzamsal modlu çalışmayı mümkün kıldığını göstermektedir. Bu sonuçlar, dizi konfigürasyonunun mod ayrımı, sağlamlık ve üretilebilirlik arasında optimum bir denge sunduğunu doğrulamaktadır. Genel olarak, bu çalışma, yüksek güçlü yarı iletken lazerler için ölçeklenebilir ve üretimle uyumlu, Hermitsel olmayan bir mod filtreleme stratejisi oluşturmakta ve geliştirilmiş q-PTS mimarilerinin yeni nesil çip ölçekli ışık kaynakları için potansiyelini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
Recent advances in non-Hermitian photonics have enabled new strategies for controlling optical modes in semiconductor lasers. In particular, quasi parity-time symmetric (q-PTS) structures have emerged as a promising approach, providing efficient mode control and enhanced beam quality by engineering the selective introduction of optical loss to higher-order modes. This methodology has enabled the development of electrically pumped edge-emitting lasers that combine high output power with single-spatial-mode operation. However, scaling single-mode emission to higher power levels presents a key challenge. It requires the exceptional point to be shifted, either by increasing the optical coupling strength between the waveguides or by enhancing loss in the passive waveguide. Stronger coupling demands reduced waveguide spacing, which is constrained by fabrication limits and the risk of current leakage, while increased passive waveguide loss can compromise both design simplicity and device efficiency. To overcome these limitations, this thesis proposes and experimentally demonstrates a novel enhanced q-PTS laser architecture. Unlike conventional q-PTS designs that rely on a single passive partner waveguide, the proposed approach employs arrays of multiple passive waveguides placed adjacent to the gain waveguide. This configuration amplifies mode-selective loss and effective coupling for higher-order modes without increasing fabrication complexity or degrading the fundamental mode. The laser structures are designed using coupled-mode theory and modal gain analysis to shift the exceptional point toward higher gain values, thereby extending the stable single-mode operating regime. The fabricated GaAs-based lasers incorporate arrays of one, two, four, and six passive waveguides. Systematic comparisons with conventional single-waveguide lasers are performed through near-field and far field beam profiling, light–current characterization, spectral measurements, and M² beam-quality analysis. Experimental results demonstrate that the enhanced q-PTS design enables diffraction-limited single-spatial-mode operation at output powers up to 1 W from electrically pumped, large-area edge-emitting laser diodes that would otherwise operate in a multimode regime. These results confirm that the array configuration offers an optimal balance between modal discrimination, robustness, and manufacturability. Overall, this work establishes a scalable and fabrication-compatible non-Hermitian mode-filtering strategy for high-power semiconductor lasers and highlights the potential of enhanced q-PTS architectures for next-generation chip-scale light sources.
Benzer Tezler
- Elektrik motoru seçim kriterleri ve kontrol organına bir limiter konulmuş motorun optimal parametrelerinin simpleks metodu ile tayini
Başlık çevirisi yok
VOLKAN ÇAKMAKÇI
- La3Lu2Ga3O12: Cı3+: Nd3+ lazer kristallerinde sıcaklığın Cr3+-Nd3+ enerji transferine etkisi
Başlık çevirisi yok
GÜLEFŞAN YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖNÜL ÖZEN
- Solution-processed thin film deposition and characterization of multinarychalcogenides: Towards highly efficient Cu2BaSn(S,Se)4 solar devices
Solüsyon yöntemiyle sentezlenmiş çok elementli kalkojenitlerin ince film kaplama ve karakterizasyonu: Yüksek verimli Cu2BaSn(S,Se)4 bazlı güneş soğuran cihazlara doğru
BETÜL TEYMUR
Doktora
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiDuke UnıversıtyMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAVİD B.MİTZİ
- Single-mode engineering in semiconductor lasers using parity-time-symmetry and coupled-cavity structures
Parite-zaman-simetrisi ve bağlaşık-kovuk yapıları kullanarak yarı iletkenler lazerlerde tek-kip mühendisliği
ENES ŞEKER
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH DEMİR
- An Activelty mode-locked semiconductor laser and soliton pulse propagation
Aktif mod kilitlenmiş yarı iletken lazer diyod ve soliton darbe yay yayılması
MURAT AKSOY
Doktora
İngilizce
1998
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADETTİN ÖZYAZICI