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High-Speed Tunable Short-Wavelength VCSEL for Optical Interconnects

Abdollahzadeh Davani, Hooman :
High-Speed Tunable Short-Wavelength VCSEL for Optical Interconnects.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: High-Speed Tunable Short-Wavelength VCSEL for Optical Interconnects
Language: English
Abstract:

The forecast for serial transmission speed used in data communication systems is a continued exponential increase with time. It is directly scaled in concert with silicon integrated circuits and in response to the human society’s perpetual hunger for massive increases in the bandwidth. This leads to an increase in the data rate of a single transmission channel and at the same time to an efficient usage of the existing transmission medium by using methods such as wavelength devision multiplexing (WDM). The electrical interfaces for a single channel using a bit rate beyond 10 Gbit/s are being standardized for a variety of applications. As a result, the fundamental electro-magnetic limitations of copper wire-based links at a bit rate >10 Gbit/s make fibre-based optics for data communication indispensable for distances >1 m. For shorter distances, problems associated with electrical transmission lines at such high frequencies, e. g. the high power consumption, strong signal attenuation, signal distortions and the electromagnetic interferences, lead to an unstoppable and progressive penetration of the optical communication links into traditional copper interconnect markets [1]. This trend greatly expands the applications of vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs), VCSEL arrays and tunable VCSELs as inexpensive, efficient, reliable, readily manufacturable and compact laser light sources for the next generation of fibre-optic, free-space, board-to-board, module-to-module, chip-to-chip and on-chip interconnects and related information systems and networks. This thesis reports the development of a high-speed tunable short-wavelength VCSEL. The goal of our research is developing a device, suitable for optical interconnects. To achieve this goal, the long tradition and experience in fabrication and development of microelectro- mechanical system- (MEMS-) mirrors for the long wavelength VCSELs in the Institute of Microwaves and Photonics of the Technische Universit¨at Darmstadt is combined with the long tradition and experience in design and development of high-speed non-tunable shortwavelength VCSELs at Chalmers University of Technology in G¨oteborg Sweden . The Walter Schottky Institute ofMunich has provided wafers for semiconductor mirrors and the IEIIT-CNR in Torino has supported us with cold-cavity simulations. The developed devices are made of a GaAs based half-VCSEL in combination with a MEMSmirror. They exhibit a maximum amplitude modulation bandwidth of up to 5 GHz, which was the highest achieved amplitude modulation bandwidth among tunable GaAs based VCSELs at the time of publication of our results according to our knowledge. These devices are also the first developed high-speed tunable VCSELs in the short-wavelength range. They exhibit a wide single-mode continuous tuning range of up to 37 nm, which is the highest reported tuning range around 850 nm achieved by VCSELs. Additionally to the results mentioned above, which have been achieved by means of bulkmicromachining of the MEMS-mirror, a surface-micromachining technology has been successfully developed and implemented. Additionally the polarization stability of the devices is achieved by implementing a sub-wavelength grating (SWG). Further characteristics of the devices such as linewidth, far field, tuning speed, relative intensity noise (RIN) and large signal behavior are investigated by means of measurements.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Prognose für die serielle Übertragungsgeschwindigkeit in Datenkommunikationssystemen zeigt eine kontinuierliche exponentielle Steigerung mit der Zeit. Sie skaliert direkt mit der Anzahl der integrierten Halbleiterschaltungen und stellt eine Lösung für den stetig in der Gesellschaft steigenden Bandbreitenbedarf dar. Dies führt zur Steigerung der Datenrate der einzelnen Übertragungskanäle und gleichzeitig zur effizienten Nutzung der existierenden Übertragungsnetze durch den Einsatz von Methoden wie Wavelength Division Multiplexing (WDM). Die elektrischen Schnittstellen für die einzelnen Kanäle mit Datenraten über 10 Gbit/s sind für die verschiedenen Anwendungen standardisiert worden. Die grundlegenden elektromagnetischen Limitierungen der Datenverbindungen basierend auf Kupferleitungen für Datenraten über 10 Gbit/s macht die faserbasierte Optik bei Übertragungsentfernungen oberhalb eines Meters unabdingbar. Probleme verbunden mit den elektrischen Übertragungsleitungen bei hohen Frequenzen wie z.B. hohe Verlustleistung, starke Signaldämpfung, Signalverzerrung und elektromagnetische Interferenz führen zu einer nicht aufhaltbaren und stetig fortschreitenden Verdrängung der traditionellen Kupferleitungen durch optische Kommunikationssysteme [1]. Dieser Trend fördert die Anwendung von Vertical Cavity Surface Emitting Lasern (VCSELn), Matrizen aus VCSELn und abstimmbaren VCSEL als günstige, effiziente, zuverlässige, leicht herstellbare und kompakte Laserlichtquellen für die nächste Generation von Faseroptik, Freiraumoptik, Board-zu-Board, Modul-zu-Modul, Chip-zu-Chip und auf-Chip Datenübertragung. Diese Dissertation berichtet über die Entwicklung von einem schnellen, abstimmbaren und kurzwelligen VCSEL. Das Ziel unserer Forschung war die Entwicklung eines Bauteils, das in optischen Interconnects eingesetzt werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen ist die lange Tradition und Erfahrung des Instituts für Mikrowellentechnik und Photonik der Technischen Universität Darmstadt in der Entwicklung von Micro-Electro-Mechanical System- (MEMS-) Spiegeln für die Langwellen-VCSELs mit der langen Tradition und Erfahrung der Chalmers University of Technology in Göteborg Schweden im Entwurf und der Entwicklung von highspeed nicht abstimmbaren Kurzwellen-VCSELn zusammengeflossen. Das Walter Schottky Institut in München hat zusätzlich Wafer für die Halbleiter-Spiegel hergestellt und das IEIIT-CNR in Turin unterstützte die Arbeit mit “Cold-Cavity”-Simulationen. Die entwickelten VCSEL bestehen aus einem GaAs-basierenden Halb-VCSEL in Kombination mit einem MEMS-Spiegel. Sie zeigen eine maximale Amplitudenmodulationsbandbreite von bis 5 GHz. Dies ist nach unserem Wissen die höchste erreichte Amplitudenmodulationsbandbreite für abstimmbare VCSEL. Diese VCSEL sind auch die ersten entwickelten schnell abstimmbaren VCSEL im Kurzwellenbereich. Sie weisen eine breite Abstimmungsbandbreite von bis zu 37 nm auf. Dies stellt die größte bekannte Abstimmungsbandbreite bei VCSELn um 850 nm dar. Zusätzlich zu den geschilderten Ergebnissen, die mit Bulk-Micromachining erreicht worden sind, ist eine Surface-Micromachining-Technology erfolgreich entwickelt worden. Die Stabilisierung des Polarisationszustandes des VCSELs mit Hilfe eines “ Sub-Wavelength- Gratings” ist ebenfalls demonstriert worden. Zusätzlich sind weitere Eigenschaften der VCSEL wie Linienbreite, Fernfield, Abstimmungsgeschwindigkeit, relatives Intensitätsrauschen (RIN) und Großsignalverhalten durch Messungen untersucht worden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Photonics and Optical Communications
Date Deposited: 25 Mar 2015 07:17
Last Modified: 25 Mar 2015 07:17
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44385
Referees: Meißner, Prof. Dr. Peter and Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
Refereed: 28 October 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4438
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