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Mikromechanisch abstimmbare, vertikal emittierende Laserdioden

Riemenschneider, Frank :
Mikromechanisch abstimmbare, vertikal emittierende Laserdioden.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mikromechanisch abstimmbare, vertikal emittierende Laserdioden
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von mikromechanisch abstimmbaren, oberflächenemittierenden Laserdioden (VCSEL) für den Emissionswellenlängenbereich um 1,5 µm. Langwellige Laser, deren Wellenlänge sich in weiten Bereichen abstimmen lassen, ermöglichen eine Vielzahl von neuen Anwendungen in zukünftigen optischen Datenübertragungssystemen oder auch auf dem Gebiet der optischen Sensorik und Messtechnik. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz für die Integration von Mikrosystemtechnik in einer vertikal emittierenden Laserdiode vorgestellt. Die Abstimmung der Laserwellenlänge erfolgt durch mikromechanische Auslenkung einer Spiegelmembran, die zusammen mit einem unbeweglichen zweiten Spiegel den optischen Mikroresonator des Lasers bildet. Der abstimmbare VCSEL beruht auf einem sogenannten Zwei-Chip-Konzept. Dieses für VCSEL Bauelemente neuartige Konzept sieht die separate Herstellung der Spiegelmembran auf einem eigenen Trägersubstrat und deren spätere Zusammenführung mit dem restlichen Bauelement vor. Die Trennung der Mikromechanik-Technologie von dem Herstellungsprozess der Laserdiode ermöglicht eine kompromisslose Optimierung der mikromechanischen Strukturen und der Laserkomponenten hinsichtlich eines großen Abstimmbereichs und einer hohen optischen Ausgangsleistung. Die wichtigsten theoretischen Grundlagen für das Verständnis und das Design von Laserresonatoren werden eingangs zusammengefasst. Nachfolgend werden Modelle zur numerischen Simulation der optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften eines solchen Zwei-Chip-Bauelements vorgestellt. Die Simulationen erlauben einen tieferen Einblick in die komplexen physikalischen Zusammenhänge innerhalb des Laserresonators und führen damit zu einem besseren Verständnis des Bauelements. Die Modellierung trägt damit wesentlich zur Optimierung der Bauelementeigenschaften bei. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung der Technologie zur Herstellung der Mikromechanik. Es werden alternative Spiegelmembrankonzepte für den Einsatz im VCSEL in Bezug auf Herstellung und Auslenkung der Membranen untersucht und bewertet. Die Spiegelmembrantechnologie wurde parallel auf dem halbleitenden Materialsysteme GaAs/AlGaAs sowie auf dem dielektrische Materialsystem Si3N4/SiO2 entwickelt. Diverse Möglichkeiten zur Charakterisierung der Spiegelmembraneigenschaften, die eine Charakterisierung bereits vor der Laserintegration erlauben, werden vorgestellt. Das neu entwickelte Konzept eines abstimmbaren VCSELs findet sowohl in optisch gepumpten Laserbauelementen als auch in elektrisch gepumpten VCSEL Anwendung. Schwerpunktmäßig werden hier die Integration der Mikromechanik sowie die anschließende optische und mechanische Charakterisierung des fertigen Bauelements behandelt. Die Realisierbarkeit des neuartigen Konzepts wird durch die Herstellung von Prototypen, die bis hin zu dem Einbau des Bauelements in einem handelsüblichen Gehäuse vorangetrieben wurde, demonstriert. Als herausragenden Erfolg dieser Arbeit ist insbesondere der Rekord-Abstimmbereich eines elektrisch gepumpten VCSELs von 42 µm im Langwellenbereich bei Raumtemperatur zu erwähnen, der weit über bislang veröffentlichten Werten lag.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work in hand is about the development of a micro-mechanically tunable, vertical cavity surface emitting laser diode (VCSEL) for an emission wavelength of around 1.5 µm. Long wavelength lasers whose wavelength can be tuned over wide ranges will enable a multitude of new applications in future optical data communication network systems as well as in the area of optical sensor and measuring technology. In this work a novel approach for the integration of microsystems technology in a vertical emitting laser diode is presented. The tuning of the laser wavelength results from a micromechanical deflection of a mirror membrane which forms the optical micro-resonator of a laser together with an immobile second mirror. The tunable VCSEL is based on a so-called Two-Chip concept. The new concept for VCSEL components consists of a separated fabrication of the mirror membrane on a separate substrate and of the subsequent assembly with the rest of the component. The separation of the micromechanical technology from the fabrication process of the laser diode allows an uncompromising optimization of the micromechanical structures and the laser components to achieve a wide tuning range and a high output power. The most important theoretical fundamentals for the understanding and the design of laser resonators are summarized at the beginning. Afterwards models for the numerical simulation of the optical, electrical, and thermal properties of a two-chip device are presented. The models give a deep insight into the complexity of a laser resonator and lead to a better understanding of the device. Thus, modeling supports considerably the optimization of the VCSEL properties. Furthermore, this work focuses on the development of the technology to fabricate the micromechanical structures. Alternative concepts of the mirror membrane for the application in a VCSEL with regard to fabrication and deflection of the membrane are investigated and evaluated. The mirror membrane technology has been developed on the semiconductive material system GaAs/AlGaAs as well as on the dielectric material system Si3N4/SiO2. Various possibilities for the characterization of the mirror membrane properties that allow a characterization already before the laser integration are presented. The newly-developed concept of a tunable VCSEL is applied to optically pumped laser devices as well as to electrically pumped VCSELs. This work primarily deals with the integration of the micromechanics and the subsequent optical and mechanical characterization of the final device. The feasibility of the novel concept is demonstrated by the fabrication of prototypes which were completed partly up to the point of mounting the device in a commercially available housing. The achieved record tuning range with an electrically pumped VCSELs of 42 µm in the long-wavelength range at room temperature is an outstanding success of this work and exceeds substantially the values that are published to date.English
Uncontrolled Keywords: VCSEL, Laser, optische Nachrichtentechnik, abstimmbar, langwellig
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
VCSEL, Laser, optische Nachrichtentechnik, abstimmbar, langwelligGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: ?? fb18_ioptnt ??
Date Deposited: 30 Jan 2009 09:56
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12886
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Meißner, Prof.. Dr. Peter
Refereed: 14 February 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1288
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