Semiconductor spin-lasers with periodic gratings for ultrafast applications

Abstract

Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) are key components in modern optical communication systems due to their compactness and energy efficiency. However, their conventional intensity modulation (IM) bandwidth is fundamentally limited by carrier and photon dynamics, typically to 30–50 GHz. Spin-polarized VCSELs (spin-VCSELs) offer an alternative through polarization modulation (PM), enabling much higher data rates by exploiting ultrafast polarization oscillations governed by birefringence. This thesis investigates monolithic integration of 1D surface gratings as a method to tailor birefringence in the laser cavity, while minimizing polarization damping caused by loss anisotropy. Simulations are performed using the PLaSK framework, a multiphysics solver based on Plane-Wave Admittance Method, which allows for self-consistent modeling of optical, thermal, and electrical phenomena in VCSELs. By optimizing grating parameters — period, fill factor, thickness—and cavity design, we demonstrate frequency splitting exceeding 280 GHz while preserving practical photon lifetimes. Furthermore, we show that modifying the cap layer can compensate for gain anisotropy, reducing dichroism to near-zero. The resulting design enables compact, fabrication-ready spin-VCSELs with integrated birefringence control, suitable for ultrafast polarization-encoded data transmission.

Lasery s vertikální geometrií (VCSELy) patří mezi klíčové prvky moderních optických komunikačních systémů díky své kompaktnosti a energetické účinnosti. Jejich běžná rychlost modulace intenzity (IM) je však fundamentálně omezena dynamikou nosičů náboje a fotonů, typicky na 30-50 GHz. Spinové lasery s vertikální geometrií (spin-VCSELy) představují alternativu s využitím modulace polarizace (PM), která umožňuje mnohem vyšší datové rychlosti díky ultrarychlým oscilacím polarizace, které jsou řízené dvojlomem. Tato práce zkoumá možnost integrace monolitických 1D povrchových mřížek pro řízené zavedení dvojlomu do laserového rezonátoru při současné minimalizaci útlumu způsobeného ztrátovou anizotropií. Simulace jsou provedeny pomocí simulačního prostředí PLaSK, které umožňuje modelování optických, tepelných a elektrických jevů ve VCSELech. Optimalizací parametrů mřížky — periody, výplňového faktoru a tloušťky — a nárhu rezonátoru je dosaženo rozdělení modů přes 280 GHz, zatímco jsou zachovány praktické délky života fotonů. Dále je ukázáno, že úpravou tloušťky zakončující vrstvy lze kompenzovat ziskovou anizotropii a snížit dichroismus téměř na nulu. Výsledný návrh umožňuje kompaktní, výrobně realizovatelné spin-VCSELy s integrovaným řízením dvojlomu, vhodné pro ultrarychlý přenos dat polarizační modulací.