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MEMS weit abstimmbare VCSEL bei 1,55μm und 1,95μm

Zogal, Karolina Hanna :
MEMS weit abstimmbare VCSEL bei 1,55μm und 1,95μm.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: MEMS weit abstimmbare VCSEL bei 1,55μm und 1,95μm
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit werden der Entwurf, die Technologie sowie eine umfassende Charakterisierung von mikroelektromechanisch weit abstimmbaren Oberflächen-emittierendenLaserdiodenmitVertikalresonator(engl.micro-electro-mechanical system vertical-cavity surface-emitting laser, MEMS-VCSEL) vorgestellt. Die Laser werden in Wellenlängenbereichen um 1550nm und 1950nm realisiert. Dank der vielen Vorteile wie die hochfrequente direkte Modulierbarkeit, exzellente Strahleigenschaften, Energieeffizienz, Zuverlässigkeit, Kompaktheit sind VCSEL heute in vielen Bereichen der faseroptischen Kommunikation präsent. Eine kontinuierliche und weite Abstimmung der Emissionswellenlänge (einige 10nm ) ist eine essentielle Eigenschaft für Telekommunikationsnetzwerke der Zukunft. Darüber hinaus sind weit und kontinuierlich abstimmbare Laserdioden für viele Sensoranwendungen, insbesondere für die Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Laserdioden (engl. tunable diode laser absorption spectrocsopy, TDLAS) von großem Interesse. TDLAS wird u.a. zur Messung der Emission von Treibhausgasen oder für die Überwachung von Verbrennungsprozessen verwendet. Mit dem Einsatz von MEMS-VCSEL können kompakte, kostengünstige und für simultane Detektion mehrerer Gase taugliche Gassensoren realisiert werden. Auf Grund der vorteilhaften vertikalen Ausrichtung des VCSEL-Resonators kann einer der beiden flachen Resonatorspiegel durch einen auslenkbaren Spiegel ersetzt werden. Hierzu bietet sich die etablierte, kostengünstige MEMS-Technologie an, welche in dieser Arbeit sowohl in Volumen, für 1550nm -, als auch erstmalig in Oberflächen-Mikromechanik, für 1950nm -langwellige VCSEL realisiert wird. Der MEMS-Spiegel wird mit nur einer Steuergröße elektrothermisch ausgelenkt. Dies resultiert in einer kontinuierlichen Abstimmung der Emissionswellenlänge. Im Rahmen dieser Arbeit werden erstmalig dynamische Eigenschaften direkt modulierbarer wellenlängenabstimmbarer MEMS-VCSEL im Wellenlängenbereich um 1550nm untersucht. Eine rekordhohe Amplitudenmodulationsbandbreite von f 3dB = 9GHz wird demonstriert, ebenfalls wie die quasi-fehlerfreie Übertragung mit der höchsten bisher publizierten Übertragungsrate von 12Gbit/s für abstimmbare VCSEL, welche hier sowohl in einem back-to-back Verfahren als auch über eine Faserstrecke der Länge von 6,3km erzielt werden. In einem weiten Abstimmbereich von 1530nm – 1580nm , welcher das komplette C-Band ( 1530nm – 1565nm ) abdeckt, wird eine quasi-fehlerfreie Übertragung bei einer Datenrate von ≥ 10Gbit/s demonstriert. Weitere und bisher unübertroffene Merkmale der hier entwickelten MEMS-VCSEL sind die hohe monomodale Ausgangsleistung von bis zu 4mW sowie eine exzellente spektrale Reinheit, welche durch eine hohe Nebenmodenunterdrückung mit einem Spitzenwert von SMSR = 64dB sowie mit SMSR > 57dB innerhalb des gesamten Abstimmbereichs gekennzeichnet ist. Eine schmale spektrale Linienbreite von ∆ν = 27MHz wird ebenfalls erstmals für einen MEMS-VCSEL nachgewiesen. Wegen der zylindrischen Geometrie des VCSEL-Resonators ist die Polarisation grundsätzlich nicht stabil in VCSEL und kann sich z.B. bei der Abstimmung der Wellenlänge oder bei der Änderung des Laserstroms umschalten. Durch Einschreiben eines optischen Gitters mit Abmessung im Sub-Wellenlängenbereich auf der Oberfläche der Spiegelmembran, können polarisationsabhängige Verluste in den DBR-Spiegel eingebaut werden. Eine in einem weiten Abstimmbereich und in dem gesamten Strombereich des Lasers polarisationsstabile Lichtemission wird demonstriert. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung weit abstimmbarer, auf Oberflächen-Mikromechanik basierenden MEMS-VCSEL für Sensoranwendungen (TDLAS), erstmalig in einem Wellenlängenbereich um 1950nm. Bei höheren Wellenlängen weisen Gase stärkere Absorptionskennlinien auf, womit die Detektion deutlich geringerer Gaskonzentrationen möglich wird. Die hier vorgestellten MEMS-VCSEL sind durch eine kontinuierliche und mit 120Hz schneller Wellenlängenabstimmung von > 90nm und durch eine in dem gesamten Abstimmbereich hohe Ausgangsleistung von > 0,5mW sowie eine hohe Nebenmodenunterdrückung von SMSR = 64dB gekennzeichnet. Spitzenleistungen von > 3,9mW bei Raum- sowie > 0,5mW bei höheren Temperaturen von 77°C können ebenfalls gezeigt werden. Eine rekordhohe Betriebstemperatur von 90°C mit > 0,2mW Ausgangsleistung wird erstmalig für einen MEMS-abstimmbaren VCSEL demonstriert. Solch hohe Betriebstemperaturen erreichen heute ausschließlich nicht abstimmbare VCSEL. Darüber hinaus ist für einen kommerziellen Gebrauch der MEMS-VCSEL, wo eine langzeitstabile, zuverlässige und von der Umgebung unbeeinflusste Funktion erforderlich ist, ein geschlossenes und robustes Gehäuse erforderlich. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte hermetisch geschlossene Gehäuse mit einem optischen Anschluss kann dem mit einer Langzeitmessung belegten Drift der Wellenlänge positiv entgegenwirken. Das Gehäuse unterbindet störende Effekte wie optisches Feedback, Einwirkungen der Luftzirkulation, der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis presents the design, the technology as well as a comprehensive characterization of microelectromechanical widely tunable surface-emitting laser diodes with a vertical resonator (MEMS-VCSEL). The lasers are realized in wavelength ranges around 1550 nm and 1950 nm. Thanks to the many advantages such as high frequency direct modulation, excellent beam properties, energy efficiency, reliability, compactness VCSELs are now present in many areas of fiber optic communication. A continuous and broad tuning of the emission wavelength (some 10 nm) is an essential feature for telecommunication networks of the future. Furthermore, widely and continuously tunable laser diodes are of great interest for many sensor applications, in particular for tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS). TDLAS is used, amongst others, to measure emissions of greenhouse gases or to monitor combustion processes. With the use of MEMS-VCSELs, compact, cost-effective gas sensors suitable for simultaneous detection of several gases can be realized. Due to the advantageous vertical alignment of the VCSEL-resonator, one of the two flat resonator mirrors can be replaced by a concave and deflectable mirror. For this purpose the established, cost-effective MEMS-technology can be used. In this work the MEMS-mirrors are realized in bulk-micromachining technology for lasers in wavelength ranges around 1550 nm. For VCSELs in wavelength ranges around 1950 nm the MEMS-mirrors are developed using surface-micromachining technology. The MEMS-mirrors are electro-thermally deflected with only one control variable. This results in continuous tuning of the emission wavelength. Within the scope of this work, dynamic properties of directly modulated wavelength-tunable MEMS-VCSELs in the wavelength range around 1550 nm are investigated for the first time. A record-high amplitude modulation bandwidth of f3dB = 9 GHz is demonstrated for tunable VCSELs, as well as the quasi-error-free data transmission with a transmission rate of 12 Gbit/s. This is achieved both in a back-to-back connection as well as over an optical fiber transmission-line of the length of 6.3 km. In a wide tuning range of 1530 nm-1580 nm, which covers the complete C-band (1530 nm-1565 nm), a quasi-error-free data transmission at a data rate of ≥ 10 Gbit/s is demonstrated. Further features of the MEMS-VCSELs developed here are the high single mode output power of up to 4 mW as well as an excellent spectral purity, which is characterized by high side mode suppression ratio of up to SMSR = 64 dB as well as by SMSR > 57 dB within the entire tuning range. A narrow spectral linewidth of Δν = 27 MHz is also detected for the first time for a MEMS-VCSEL. Because of the cylindrical geometry of the VCSEL-resonator, the polarization is fundamentally unstable in VCSELs and can change during tuning the wavelength or by changing the laser current. By implementing an optical grating on the surface of the mirror-membrane, with a dimension in the sub-wavelength range, polarization-dependent losses can be incorporated into the Bragg-mirror. A polarization-stable light emission in a wide tuning range and in the entire current range of the laser is demonstrated. Another goal of this thesis is the first-time development of widely tunable surface-micromachined MEMS-VCSELs in a wavelength range around 1950 nm for sensor applications (TDLAS). At higher wavelengths, gases have stronger absorption lines, which makes it possible to detect significantly lower gas concentrations. The MEMS-VCSELs presented here are characterized by a continuous wavelength tuning of > 90 nm and a high output power of > 0.5 mW in the entire tuning range, as well as a high side mode suppression ratio of SMSR = 64 dB. The tuning speed of the wavelength is 120 Hz. High optical outputs of up to 3.9 mW at room temperature as well as > 0.5 mW at higher temperatures of 77 °C are also demonstrated. A record-high operating temperature of 90 °C with > 0.2 mW output power is demonstrated for the first time for a MEMS-tunable VCSELs. Today, only non-tunable VCSELs achieve such high operating temperatures. Moreover, for a commercial use of the MEMS-VCSELs, where a long-term stable, reliable and unaffected function is necessary, a closed and robust package is required. In this work, a hermetically sealed package with a pigtail has been developed. It can positively counteract the drift of the wavelength, which is demonstrated by a long-term measurement. The housing prevents disturbing effects such as optical feedback, impacts of air circulation, ambient temperature and humidity.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 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
Date Deposited: 14 Mar 2017 08:10
Last Modified: 14 Mar 2017 08:10
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-60267
Referees: Meißner, Prof. Dr. Peter and Schlaak, Prof. Dr. F. Helmut and Michalzik, Prof. Dr. Rainer
Refereed: 9 February 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6026
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