VCSELs with broken symmetry: boosting the performance and reaching new frontiers in semiconductor laser technology
Lasery VCSEL ze złamaną symetrią: zwiększenie wydajności i osiągnięcie nowych granic w technologii laserów półprzewodnikowych
Project type: Research and development
Keywords: lasery VCSEL chaos falowy w laserach półprzewodnikowych asymetryczne apertury spektra emisyjne rozkład modów
Keywords (english): VCSELs wave chaos in semiconductor laser asymmetric apertures emission spectra modal distribution
Consortium members: Politechnika Łódzka (Lodz University of Technology) Politechnika Wrocławska Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki
Project implementation period: 1/10/2025 - 30/09/2028
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: SONATA
Project manager: Magdalena Marciniak
Funding value: 1 922 720,00 PLN
Total project value: 1 922 720,00 PLN
Celem tego projektu jest identyfikacja i optymalizacja kształtów, jakie mogą przyjąć lasery o emisji powierzchniowej z pionową wnęką rezonansową (lasery VCSEL), które zapewniają maksymalną moc emitowaną wraz z poprawioną jednorodnością spektralną i przestrzenną w porównaniu z konwencjonalnymi laserami VCSEL o cylindrycznej symetrii. To innowacyjne podejście, inspirowane postępami w teorii chaosu falowego, ma na celu rozwiązanie ograniczeń tradycyjnych cylindrycznych konstrukcji laserów VCSEL. Przełamanie symetrii w aperturach laserów VCSEL otwiera nową drogę do poprawy ich wydajności. Dzięki wprowadzeniu precyzyjnie dostosowanych geometrii apertur, takich jak kształty litery D, stadionu lub inne w pełni asymetryczne kształty, dążymy do uzyskania lepszego rozkładu modów, zwiększonej mocy optycznej oraz poprawionej jednorodności spektralnej i przestrzennej. Właściwości te są kluczowe dla zastosowań w technologiach 3D sensing, optycznej tomografii koherentnej (OCT), systemach VR/AR i wielu innych. Chociaż projekt koncentruje się na arsenkowych VCSEL-ach emitujących promieniowanie o długości fali 940 nm, metody i wyniki będą miały zastosowanie również w innych systemach materiałowych i dla innych długości fal, co znacznie poszerza potencjalny wpływ tych badań. Projekt zakłada kompleksowe podejście, integrujące zaawansowane techniki epitaksji, nowoczesne metody wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych, szczegółową eksperymentalną charakteryzację i zaawansowane symulacje komputerowe. Wzrost epitaksjalny zostanie przeprowadzony za pomocą systemów MOVPE, co umożliwi precyzyjne osadzanie wysokiej jakości studni kwantowych InGaAs oraz warstw AlGaAs z kontrolowaną zawartością aluminium dla procesów oksydacji. Zadania związane z wytwarzaniem laserów obejmą fotolitografię, oksydację oraz trawienie. Symulacje komputerowe -modelowanie modów w zimnej wnęce - pozwolą zaprojektować i zoptymalizować nowe kształty apertur, podczas gdy charakteryzacja eksperymentalna dostarczy informacji na temat statycznych i dynamicznych właściwości laserów. Projekt realizowany będzie we współpracy pomiędzy trzema instytucjami. Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki będzie odpowiedzialny za zadania związane z wytwarzaniem laserów, w tym opracowanie odpowiednich masek fotolitograficznych, trawienia oraz procesów oksydacji. Politechnika Wrocławska będzie prowadzić wzrost epitaksjalny, dostarczając wysokiej jakości struktury dostosowane do wymagań projektu. Politechnika Łódzka będzie koordynować projekt, przeprowadzać symulacje komputerowe oraz prowadzić kompleksową charakteryzację wytworzonych urządzeń. PŁ zapewni również analizę wyników wszystkich partnerów, wspierając synergię pomiędzy wszystkimi realizowanymi zadaniami. Poprzez rozwój konstrukcji VCSEL oraz badanie zjawisk chaosu falowego we wnękach optycznych, projekt ten ma na celu redefinicję możliwości laserów VCSEL. Wyniki obejmą nie tylko poprawioną wydajność laserów VCSEL, ale również możliwości do różnych systemów materiałowych i obszarów zastosowań, tworząc podstawy dla technologii fotonicznych nowej generacji.
The goal of this project is to identify and optimize vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) geometries that offer maximum emitted power along with improved spectral and spatial uniformity compared to conventional cylindrical-symmetric designs. This innovative approach is inspired by advancements in wave chaos theory and aims to address the limitations of traditional cylindrical VCSEL designs. Breaking symmetry in VCSEL apertures offers a new avenue for improving laser performance. By introducing geometrically tailored apertures, such as D-shaped, stadium-shaped, or other fully asymmetric designs, we aim to achieve better mode distribution, increased optical power, and improved spectral and spatial uniformity. These properties are critical for applications in 3D sensing, optical coherence tomography, VR/AR systems, and beyond. While the focus of the project will be on arsenic-based VCSELs emitting at 940 nm, the methods and findings will be applicable to a range of material systems and wavelengths, extending the potential impact of this research. The project will use a comprehensive approach, integrating advanced epitaxy, state-of-the-art processing, rigorous characterization, and cutting-edge simulations. Epitaxial growth will be conducted using MOVPE systems, enabling precise deposition of high-quality InGaAs quantum wells and AlGaAs layers with controlled aluminum content for oxidation processes. Processing tasks will involve photolithography, oxidation, and the fabrication of custom apertures. Theoretical simulations and cold cavity modeling will guide the design and optimization of novel aperture geometries, while experimental characterization will provide insights into static and dynamic laser properties. The collaboration involves three partners. Łukasiewicz – Institute of Microelectronics and Photonics (IMiF) will be responsible for processing tasks, including the development of custom photolithography masks, trench etching, and oxidation processes. Wrocław University of Science and Technology (DMN) will lead epitaxial growth, delivering high-quality structures tailored to project requirements. Łódź University of Technology (LUT) will coordinate the project, conduct simulations and theoretical modeling, and perform comprehensive characterization of the fabricated devices. LUT will also ensure the integration of results from all partners, fostering synergy across all work packages. By advancing the design of VCSELs and exploring the physics of wave chaos in optical cavities, this project seeks to redefine what is achievable with surface-emitting lasers. The outcomes will include not only enhanced VCSEL performance but also broader insights applicable to various material systems and application areas, establishing a foundation for next-generation photonic technologies.
Go back