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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
