چکيده— لیزر حفره عمودی نشر کننده از سطح (VCSEL) یک دیود لیزری نیمه هادی منحصر بفرد می باشد؛ چرا که این دیود با جریان پائین راه اندازی می شود و می توان آن را در خلال پروسه ساخت، تست نمود. لذا دیود VCSEL در مقایسه با دیود لیزری نشر کننده از لبه، برای برخی کاربرد های خاص، ترجیح داده می شود. با این وجود، طراحی حفره یک لیزر VCSEL در مد عرضی منفرد، سر راست و ساده نمی باشد. این تحقیق، طراحی لیزر VCSEL در مد عرضی منفرد را با استفاده از یک روش شاحص موثر (EIM)، بررسی می نماید. با بکارگیری روش شاخص موثر (EIM)، بعد ساختاری لیزر VCSEL از سه بعد به دو بعد، کاهش می یابد. روش EIM مورد استفاده در این مقاله، ترکیبی از روش ماتریس انتقال (TMM) تک بعدی و روش المان محدود (FEM) دو بعدی می باشد. با استفاده از حل کننده های مد TMM و FEM که در روش EIM با یکدیگر ترکیب شده اند، می توانیم بهترین طراحی حفره را که یک لیزر VCSEL در مد عرضی منفرد با واسط اکتیو چاه چند کوانتومی (MQW) را ایجاد می نماید، شناسایی کنیم. لیزر VCSEL مورد مطالعه دارای طرح روکشی مشابه با کریستال فوتونی می باشد که شامل حفره های منظم در ابعاد کوچکتر از میکرو متر تا میکرو متر است. شبیه سازی های انجام شده در این مطالعه نشان می دهند که لیزر VCSEL تک مد را می توان با تنظیم پارامتر های حفره نظیر شعاع هسته و فاصله میان حفره ها در روکش، حاصل نمود. شبیه سازی ها نشان می دهند که شعاع هسته، مهمترین پارامتر برای مشخصه مد می باشد. در خصوص یک ساختار لیزر VCSEL نمونه که مبتنی بر نیمه هادی های GaAs تحت مطالعه می باشد؛ مقدار شعاع هسته 0.25 میکرومتر تا 1.2 میکرومتر ، می تواند یک لیزر VCSEL تک مد منحصر بفرد را ایجاد نماید. مقدار pitch نیز در مشخصه مد تاثیرگذار می باشد. شبیه سازی ها همچنین نشان می دهند که در مورد لیزر تک مد، به ازای مقادیر شعاع هسته از 0.25 میکرومتر تا 1.2 میکرومتر ، حداکثر مقدار pitch برابر 0.7 میکرومتر است.
کلمات کليدي-  لیزر VCSEL ، حفره تک مد، EIM (روش شاخص موثر)، FEM (روش المان محدود)

Abstract:  The vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is a very unique semiconductor laser diode since it operates in low current and can be tested during the fabrication process. Therefore, VCSEL is more preferable than the conventional edge-emitting laser diode for certain applications. However, the cavity design of a single-transversal-mode VCSEL is not straight forward. This research will explore the single-transversal-mode VCSEL design by using an Effective Index Method (EIM). With EIM, the structural dimension of VCSEL will be reduced from three dimensions into two dimensions. EIM used in this paper is a combination of one-dimensional Transfer Matrix Method (TMM) and two-dimensional Finite Element Method (FEM). By using the TMM and FEM mode solvers blended in EIM, we can find the best cavity design which will produce a single transversal- mode VCSEL with Multi Quantum Well (MQW)active medium. The VCSEL being studied has cladding design similar to photonic crystal which consists of well arranged holes in the size of sub-micrometer to micrometer. Simulations performed in this study reveal that single-mode VCSEL can be attained by adjusting the cavity parameters such as core radius and the distance between holes in the cladding. The simulations show that core radius is the most influential parameter for the mode characteristic. For a typical VCSEL structure based on GaAs materials under study, core radius of 0.25 μm to 1.2 μm can create a single mode VCSEL. Pitch size is also influential for the mode characteristic. The simulations also reveal that for single mode VCSEL, the maximum pitch size is 7 μm for core radius from 0.25 to 1.2 μm.

Keywords-  VCSEL, Single-mode cavity, EIM (Effective Index Method), TMM (Transfer Matrix Method), FEM (Finite Element Method)