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SiOx-SiCz MEMS-DBR-Based Tunable Optical Devices

Cesar, Julijan (2020):
SiOx-SiCz MEMS-DBR-Based Tunable Optical Devices.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00013563,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: SiOx-SiCz MEMS-DBR-Based Tunable Optical Devices
Language: English
Abstract:

Wavelength tunable devices are required in many fields like spectroscopy of gases, biomedical absorption experiments, wavelength division multiplexing in optical data networks, among others. Usually the devices are limited by the technology implemented to change the transmitted frequencies and are specific to their usage scenario. Thus extending the regime in which a single device can function, will reduce the need for many different devices with a narrow application window. For example, having a tunable laser for telecommunication networks around 1550 nm, that can support both L- and C-bands (1530 to 1625 nm). It opens much more flexibility, either by applying new coding mechanisms that require wavelength switching. Or simply by reducing storage requirements, because only one type of device serves as hot-backup for all channels. Investigation on tunable lasers on the basis of a VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) in combination with a SiO-SiC MEMS-DBR, which offer up to 107 nm of tuning around 1550 nm, went on for more than two decades. It is time to overcome the material-specific limitation of those DBR materials. With a refractive index difference of 0.45 only 120 nm of high reflectivity around 1550 nm are supported by SiN and SiO. In this work, silicon carbide (SiC) is introduced as a replacement for SiN to grow DBR stacks with a refractive index contrast of 1, when paired with SiO. This increases the reflectivity stopband by more than a factor of 2, while the number of layer pairs is reduced for similar maximum reflectivities. So, in the end, wider tuning and smaller devices are feasible. The first step towards a MEMS-DBR tunable Fabry-Pérot VCSEL is investigating the behavior of the new material by processing passive filters based on the same principle. MEMS stands for micro-electro-mechanical system. Here a Farby-Pérot resonator consisting of two DBRs - one fixed, one movable - and an adjustable air-gap in between, enables continuous shifting of the resonant wavelength through displacement of the MEMS-DBR. After investigations on single layers deposited by low-temperature PECVD to enable compatibility with the active substrates, layer stacks are grown and structured into MEMS-DBRs. They can be actuated electro-thermally and electro-statically to tune the resonator cavity length and ultimately the transmission wavelength. First tests provided proof that the idea is working, but the tuning range was limited by the large cavity length. To increase the free spectral range, the cavity length had to be reduced. By creating a Comsol Multiphysics model for SiO-SiC MEMS-DBR, harnessing packages for structural mechanics and electro-thermal physics, the number of experimental testing could be lowered. Changing several variables led to the need of reducing the lateral MEMS-size by at least a factor of 2. After a redesign of the photolithography masks, new small-sized MEMS were processed successfully, reducing the air-gap to the desired lengths of 1 to 4 micrometer. Those new devices could be tuned over 250 nm, limited only by the measurement equipment. Moreover, increasing the number of layer pairs of the DBR decreased transmission linewidth below 30 pm (or 4 GHz) over a tuning range beyond 250 nm around 1550 nm. MEMS-DBR surface-micro-machining technology was furthermore transferred to both photodiode and half-VCSEL substrates successfully. Both SiO-SiN and SiO-SiC MEMS-DBR tunable photodiodes were able to detect and separate two neighboring lasers in a dense wavelength division multiplexing grid with 100 GHz (or 0.8 nm) spacing. SiO-SiC MEMS-DBR VCSELs showed a tuning range of only 57 nm around 1530 nm due to processing related issues. A much higher potential for wider tuning is available, but could not be achieved within the time frame of this work. Nevertheless, SiO-SiC MEMS-DBR VCSEL were found to be much less prone to temperature changes, considering emission wavelength shift, than SiO-SiN MEMS-DBR VCSEL published previously. This decreases environmentally induced temperature-dependent wavelength changes immensely.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Wellenlängenabstimmbare Bauteile werden in vielen Bereichen benötigt, für Spektroskopie von Gasen, bei biomedizinischen Absorptionsexperimenten, in wellenlängenmultiplex Netzwerken zur optischer Datenübertragung und vielen weiteren. üblicherweise sind die Abstimmbereiche der Bauteile durch die eingesetzte Technologie begrenzt, sodass sie sehr spezifisch für ihren Einsatzbereich konstruiert werden müssen. Wenn der Bereich nun erweitert wird, kann ein einziges Bauteil für mehrere Einsatzzwecke benutzt werden, wodurch die Menge an benötigten unterschiedlichen Geräten verringert werden kann. Zum Beispiel kann ein wellenlängenabstimmbarer Laser für ein optisches Datennetzwerk um 1550 nm verwendet werden, welcher sowohl das L- als auch das C-Band bedienen kann (1530 bis 1625 nm). Dies erlaubt eine erhöhte Flexibilität, sei es durch das Ermöglichen von Modulationsverfahren, welche eine änderung der Wellenlänge fordern. Oder es verringert den benötigten Lagerbedarf, da nur noch eine Sorte an Ersatzlasern für alle Kanäle bereitgehalten werden muss. In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden wellenlängenabstimmbare Laser vorgestellt, einer Kombination aus VCSEL (oberflächenemittierende Halbleiterlaser) und SiO-SiN MEMS-DBR, welche bis zu 107 nm Abstimmung um 1550 nm erlauben. Nun ist es an der Zeit die materialspezifischen Beschränkungen dieser Braggspiegel (DBR) zu überwinden. Der Einsatz von SiN und SiO erlaubt nur einen Brechungsindexunterschied von 0,45 und damit nur eine Stopbandbreite hoher Reflektivität um 1550 nm von 120 nm. In dieser Arbeit wird Siliziumcarbid (SiC) als Ersatz für SiN vorgestellt. Gepaart mit SiO sind dadurch Braggspiegel mit einem Brechungsindexunterschied von 1 möglich. Dies verdoppelt die Stoppbandbreite und reduziert gleichzeitig die benötigte Anzahl an Schichtpaaren, um dieselbe Reflektivität zu erlangen. Letztendlich wird dadurch der Abstimmbereich erweitert und die Möglichkeit zur Verringerung der Bauteile erschaffen. Der erste Schritt zu einem MEMS-DBR abstimmbaren Fabry-Pérot VCSEL ist die Untersuchung des neuen Materials in Form von passiver Filter, agierend nach demselben Prinzip. MEMS steht dabei für mikroelektromechanisches System. Ein Fabry-Pérot Resonator besteht hierbei aus zwei Braggspiegeln - einem festen und einem beweglichen - welche durch einen veränderbaren Luftspalt voneinander getrennt sind. Durch eine Verschiebung des beweglichen MEMS-DBR kann die resonante Wellenlänge kontinuierlich verändert werden. Zunächst wurden einzelne Schichten untersucht, gewachsen durch eine plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PECVD) bei niedrigen Temperaturen, um die Prozessverträglichkeit mit den VCSEL Substraten zu gewährleisten. Danach wurden Schichtstapel abgeschieden und in der MEMS Form strukturiert, welche schließlich sowohl elektrothermisch, als auch elektrostatisch ausgelenkt werden konnten, um die Resonatorlänge und schließlich die Transmissionswellenlänge zu verändern. Erste Test zeugten von Erfolg, jedoch war der Abstimmbereich durch die große Resonatorlänge begrenzt. Um den freien Spektralbereich zu vergrößern musste die Kavität verkleinert werden. Durch das Erstellen eines Comsol Multiphysics Modells für SiO-SiC MEMS-DBR, welches Pakete für strukturmechanische und elektrothermische Begebenheiten verwendet, konnte die Anzahl an experimentellen Versuchen verringert werden. Veränderungen von verschiedenen Parametern ergab, dass die laterale Größe der MEMS mindestens um den Faktor 2 verkleinert werden muss. Der Luftspalt konnte durch eine entsprechende Umgestaltung der Photolithographiemasken auf 1 bis 4 Mikrometer erfolgreich reduziert werden. Diese Filter konnten um mehr als 250 nm um 1550 nm abgestimmt werden. Begrenzt war dies lediglich durch die Messgeräte. Darüber hinaus hat die Erhöhung der DBR Schichtpaare eine schmale Transmissionsbandbreite unter 30 pm (oder 4 GHz) über einen Abstimmbereich von über 250 nm um 1550 nm zur Folge. Die MEMS-DBR Oberflächenmikrostrukturierungstechnologie wurde nach erfolgreichen Tests mit Filtern auf Photodioden- und VCSEL-Substrate übertragen. Sowohl SiO-SiN, als auch SiO-SiC MEMS-DBR abstimmbare Photodioden konnten benachbarte Laser eines DWDM Rasters von 100 GHz oder 0,8 nm detektieren und unterscheiden. SiO-SiC MEMS-DBR VCSEL zeigten lediglich einen Abstimmbereich von 57 nm um 1530 nm aufgrund von prozessbedingter Aspekte. Das große Potential für einen viel größeren Abstimmbereich konnte innerhalb des Zeitfensters dieser Arbeit nicht mehr ausgeschöpft werden. SiO-SiC MEMS-DBR abstimmbare VCSEL zeigen aber bereits jetzt eine viel kleinere Empfindlichkeit auf Temperaturschwankungen im Vergleich zu bisher veröffentlichten SiO-SiN MEMS-DBR VCSEL. Dies verringert den äußeren Einfluss auf temperaturbedingte Wellenlängenänderung drastisch.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Photonics and Optical Communications
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 08 Oct 2020 09:25
Last Modified: 08 Oct 2020 09:25
DOI: 10.25534/tuprints-00013563
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-135633
Referees: Kusserow, Prof. Dr. Thomas and Sinzinger, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 25 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13563
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