TESIS DOCTORAL MODELADO, SIMULACIÓN Y DISEÑO DE

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  • UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

    ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIN

    TESIS DOCTORAL

    MODELADO, SIMULACIN Y DISEO DE DIODOS LSER DE ALTO BRILLO

    Autor: Luis Borruel Navarro Director: Ignacio Esquivias Moscard

    Madrid, 2004

  • El tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Recto de la Universidad

    Politcnica de Madrid:

    Presidente

    Vocales

    Secretario

    Realizado el acto de defensa y lectura de la tesis el da de del

    2004, en Madrid, acuerda otorgarle la calificacin de

    11

  • Abstract Esta tesis recoge el trabajo realizado sobre modelado, simulacin y caracterizacin de

    diodos lser en forma de embudo (tapered). Estos dispositivos presentan un brillo y una

    calidad de haz superiores a otros lseres de semiconductor de potencia, pero su

    fucionamiento complejo hace conveniente la utilizacin de herramientas de simulacin

    en el proceso de optimizacin. Se ha profundizado en el entendimiento del

    funcionamiento global de estos dipsositivos, as como en los mecanismos que deterioran

    y limitan su rendimiento.

    Se ha desarrollado un simulador tridimensional para diodos lser en forma de embudo

    operando en rgimen continuo. El trabajo se centra el la implementacin del modelo

    electro trmico y en el acoplamiento con un modelo ptico desarrollado por la

    Universidad de Nottingham. El modelo electrotrmico recoge parte de los modelos y

    mtodos numricos utilizados en el simulador unidimensional Harold. Las ecuaciones

    de Poisson y continuidad para electrones/huecos se resuelven autoconsistentemente y se

    combinan con un mtodo de propagacin del haz bidimensional. Se propone un

    mtodo de calibracin original, demostrando buen acuerdo con resultados

    experimentales en distintos diseos y materiales.

    Han sido identificados dos mecanismos como los principales responsables del deterioro

    de las condiciones de propagacin: un filtrado espacial insuficiente y el autoenfoque del

    haz debido a la lente de portadores inducida. Se exponen diversas alternativas para

    contrarrestar estos efectos, incidiendo en el papel de elementos clave como los

    deflectores de haz y la reflectividad de los espejos. Igualmente, se estudian estrategias de

    optimizacin en funcin de varios parmetros de diseo, tales como longitud relativa de

    las secciones, salto de ndice, patrones de inyeccin de corriente, etc ...

    n

  • Abstract This thesis comprises the work done on tapered lser modeling, simulation and

    characterization. These devices show superior brightness and beam quality compared to

    other semiconductor high-power lasers, but tiieir complex operation recommends the

    utiUzation of simulation tools in the optimization process. A better understanding of

    the global operation in these devices has been achieved, together with an understanding

    of the difFerent mechanisms limiting and deteriorating their performance.

    A three-dimensional simulator has been developed to be used with tapered lasers

    working under continuous wave operation. This work is focused in the implementation

    of two- and three-dimensional electrical and thermal models, extending previous one-

    dimensional models, and in the optimum coupling to an externally developed optical

    model. Poisson and continuity equations for electrons/holes are self-consistendy solved

    and coupled to a two-dimensional beam propagation method. An original calibration

    procedure for the model parameters has been developed, showing its validity by

    obtaining good agreement with experimental results in different designs and materials.

    The two main mechanisms causing beam quality deterioration have been spotted: poor

    spatial filtering in the straight section and beam self-focusing due to the carrier induced

    lens. Several methods are proposed to counterbalance these effects, stressing the role of

    key elements such as beam-spoilers and facet reflectivity. Likewise, optimization

    strategies are studied varying several design parameters, proposing general criteria to

    help improving performance.

    n

  • Agradecimientos Son muchas las personas a las que citar en estas lneas, muchas personas a las que agradecer

    su pequea o gran contribucin a este trabajo. Quera mostrar mi agradecimiento a la gente

    ms cercana en lo personal y que no lo ha vivido tan de cerca en estos aos: a mis padres, a mi

    hermana y a mis amigos de teleco tcnica que llevamos todos estos aos (asusta contarlos)

    compartiendo tantas cosas. Porque vuestros nombres no estn aqu, no es menor mi cario

    hacia vosotros.

    Empiezo por Ignacio Esquivias, el principal responsable de que esto haya ocurrido y que

    siempre se empe en que culminara el trabajo realizado escribiendo esta tesis. Tu capacidad

    para sortear los problemas que han ido apareciendo, as como para hacer de abogado del

    diablo con mis disparatadas ideas me han enseado mucho. Tanto en lo personal como en lo

    profesional has creado un ambiente difcilmente igualable.

    En esos comienzos no me olvido de la buena acogida por parte de los miembros del

    departamento de tecnologa fotnica, especialmente de Mara y de Roberto. Para el grupo de

    becarios que empezamos compartiendo el B-lOl, y que sobrevivimos como los fotones

    alternativos (Bea, Julia, Javier y Xabi), gracias por todos esos buenos ratos "fuera" del B-101.

    Almu gracias por tu amistad incondicional desde el primer da. Ral, he'mano, algn da tengo

    que hacer ese viaje pendiente a Pinar del Ro.

    Tras el boom tecnolgico que vaci el laboratorio, la vida en el 101 reverdeci gracias a la

    invasin de los rumanos y los nuevos cristaleros: Lau, Carlos, Diego, Elena, Ins, Maricruz,

    Miguel ngel, Nordine y Pilar. Gracias por todos esos momentos increbles tanto dentro

    como fuera de la escuela. Jennay, gracias por tu sinceridad y por lo que aprend conocindote.

    Dejo para el final a Helena, que a cambio de un chmod, ilviminaste los momentos ms oscuros

    y me hiciste descubrir a vin ser humano excepcional.

    Dentro del trabajo en el proyecto Ultrabright, gracias a la Universidad de Nottingham por

    aportar su modelo ptico, parte imprescindible de este trabajo. Especialmente, gracias a

    Slawek y a Jim por su colaboracin en la depuracin del cdigo y por contribuir a que ese

    montn de lneas que hemos escrito funcionaran.

    De mi estancia en Thales TRT (Orsay), agradecer a Michel Krakowski su invitacin a trabajar

    all y sus gestiones. Tanto Giles como Sophie hicieron mucho ms soportables las "penurias

    iii

  • del emigrante". Antoine, gracias por hacerme sentir como "uno ms" en esas inolvidables

    noches en Lozre.

    En el FBH (Berlin), agradecer a Gtz Erbert su invitacin y especialmente a Hans, no slo por

    su perspicacia cientfica, sino por su hospitalidad y ayuda en las gestiones. En la residencia,

    Alicia me trat como un rey;) y Dhiraj me introdujo en la comida y la sociedad india.

    Finalmente quera agradecer a la Comunidad Autnoma de Madrid, a la Comisin Europea, a

    Thales Research & Technology y al Instituto Ferdinand Braun por haberme financiado

    durante estos ltimos 5 aos. El trabajo global ha sido posible gracias a la financiacin de los

    siguientes proyectos:

    "Tecnologas de Dispositivos Optoelectrnicos para Sistemas de Telecomunicacin:

    Tecnologa de Fabricacin de Diodos Lser de Alta Eficiencia en Banda 0.9-1.3

    Mieras". Proyecto: 07T/0006/1997. Entidad financiadora: Comunidad Autnoma de

    Madrid. Duracin: 1997-1999.

    "Reliable Ultra-Bright Lser Sources for Terabit Telecommunications and

    Photodynamic Therapy Applications". Proyecto: IST 1999-10356. Entidad

    financiadora: Comisin Europea. Duracin: 1999-2001.

    "Diodos Lser Con Seleccin Modal". Proyecto: TIC99-0645-C05-04.' Entidad

    financiadora: C.Y.C.Y.T. Duracin: 1999-2002.

    IV

  • ndice

    Resumen i

    Abstract ii

    Agradecimientos iii

    Captulo 1 Introduccin 1

    1.1. Introduccin 1 1.2. Motivacin 6 1.3. Objetivos 7 1.4. Contenidos 8 Referencias 9

    Captulo 2 Diodos lser de alto brillo 13

    2.1. Diodos lser de potencia 13 2.1.1. Mecanismos que limitan la potencia 14 2.1.2. Tipos de diodos lser de potencia 17

    2.2. Diodos lser de alto brillo 20 2.2.1. Definicin de brillo 20 2.2.2. Aplicaciones 21 2.2.3. Estado de la tcnica 22

    2.3. Diodos Lser en forma de embudo 24 Referencias 27

    Captido 3 Modelo de simulacin de diodos lser en forma

    de embudo 33

    3.1. Necesidades de simulacin 33 3.2. Modelos previos 34

    V

  • 3.3. Presentacin general del modelo de simulacin 37 3.3.1. Modelo de simulacin 2.5D - Cavidad mitad 37 3.3.2. Modelo de simulacin 2.5D - Cavidad completa 38 3.3.3. Modelo de simulacin 3D - Cavidad mitad 39

    3.4. Modelo elctrico 39 3.4.1. Ecuaciones 39 3.4.2. Perturbacin del ndice de refraccin 40 3.4.3. Zonas del semiconductor alteradas 41 3.4.4. Patrones de inyeccin de corriente 42 3.4.5. Implementacin numrica 43

    3.5. Modelo trmico 45 3.5.1. Implementacin numrica 46

    3.6. Modelo ptico 47 3.7. Acoplamiento entre los modelos 49 3.8. Limitaciones del modelo. Necesidad de modelos 3D 54 3.9. Resumen 60 Referencias 62

    Captulo 4 Validacin del modelo Gl

    4.1. Dispositivos utilizados di 4.1.1, 975 nm 68

    4.1.1,1, Descripcin 68 4,1,1,2,Resultados experimentales 69

    4.1.2, 735 nm 70 4.1.2.1.Descripcin 70 4,1.2.2.Resultados experimentales 71

    4.2. Proceso de ajuste 72 4.2.1. Presentac

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