TU Darmstadt / ULB / TUprints

MEMS-Tunable VCSELs-Driven Terahertz Emitters Based on Conventional and Nanoelectrode Photomixers

Haidar, Mohammad Tanvir :
MEMS-Tunable VCSELs-Driven Terahertz Emitters Based on Conventional and Nanoelectrode Photomixers.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

[img]
Preview
Text (pdf)
13.02.2018.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Share-alike.

Download (43MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: MEMS-Tunable VCSELs-Driven Terahertz Emitters Based on Conventional and Nanoelectrode Photomixers
Language: English
Abstract:

Continuous-wave (CW) terahertz (THz) photomixing setups require compact, widely tunable mode-hop-free driving lasers. This thesis reports, for the first time, on the performance of surface micromachined single-mode microelectromechanical system (MEMS)-tunable vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) around 1550 nm for application in a tunable THz CW photomixing system. An electrothermally tunable MEMS-VCSEL featuring a tuning range of 64 nm (7.92 THz) with a side-mode-suppression-ratio of > 50 dB over the entire tuning range is optically heterodyned with a distributed feedback (DFB) laser diode to drive the photomixing setup. The achieved THz bandwidth of 4.74 THz is yet only limited by the employed photomixers. This thesis addresses a systematic characterization of MEMS-VCSELs with a particular focus on the parameters relevant for THz photomixing, such as tunability, tuning speed, linewidth, polarization and wavelength stability. MEMSVCSELs have excellent polarization-suppression-ratio of > 20 dB and a linewidth of < 50 MHz, respectively over the entire tuning range. Due to the suspended structure of the MEMS-tunable mirror, MEMS-VCSELs show wavelength drifts and fluctuations. A wavelength control circuit compensates the slow drifts while the fast fluctuations show a long-time-scale bandwidth of < 350 MHz which is still sufficient for THz photomixing. The fluctuations are functions of the mechanical properties of the tunable mirror and analyzed in this thesis. The small active volume of VCSELs results in a low output power of few milliwatts. This thesis investigates the development of nanoelectrode-based CW photomixers with high optical to THz conversion efficiency. These devices have an order of magnitude lower capacitance to reduce the losses and improve the output power as compared to conventional interdigitated electrode structures. The photomixers have potential to produce sufficient photocurrent when VCSELs intensely illuminate the 1 µm–2 µm electrode gaps through lens systems. We first utilize dielectrophoresis technique to align silver nanowires as nanoelectrodes to fabricate the photomixers at 850 nm and 1550 nm using corresponding substrate materials. While DC characteristics look promising, so far no THz signal is generated due to the failure of the unprotected nanowires. The thesis concludes with a detailed analysis of the failure mechanisms with prospective solutions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Kompakte, weit abstimmbare und modensprungfreie Laser werden für Dauerstrich-(CW) Terahertz-(THz) Quellen benötigt. Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die Leistungsfähigkeit von mikroelektromechanisch abstimmbaren oberflächenemittierenden Lasern (MEMS-VCSEL) bei 1550 nm für den Einsatz in abstimmbaren CWTHz Photomischer-Systemen. Ein elektrothermisch abstimmbarer MEMS-VCSEL, mit einem Abstimmbereich von 64 nm (7,92 THz) und einer Seitenmodenunterdrückung (SMSR) von > 50 dB über den gesamten Abstimmbereich wurde mittels einer optischen Heterodyn-Methode in Verbindung mit einem Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) zum Treiben eines Photomischers verwendet. Die erreichte THz-Bandbreite von 4,74 THz wird nur durch den verwendeten Photomischer begrenzt. Diese Dissertation charakterisiert systematisch MEMS-VCSEL mit einem besonderen Augenmerk auf die relevanten Parameter des THz-Photomischens wie Abstimmbarkeit, Abstimmgeschwindigkeit, Linienbreite, Polarisation und Wellenlängenstabilität. MEMS-VCSEL zeigen eine ausgezeichnete Polarisationsunterdrückung (PSR) von > 20 dB und Linienbreite von < 50 MHz über den gesamten Abstimmbereich. Wegen der freihängenden Struktur des beweglichen Resonatorspiegels zeigen MEMS-VCSEL Wellenlängendrifts und –schwankungen. Eine Wellenlängenregelschaltung kompensiert die langsamen Drifts, während die schnellen Schwankungen eine Langzeitbandbreite von < 350 MHz aufweisen und somit für THz-Photomischen ausreichen. Die Schwankungen hängen von den mechanischen Eigenschaften des beweglichen Spiegels ab und werden in dieser Arbeit analysiert. Das kleine aktive Volumen der VCSEL führt zu einer Ausgangsleistung von wenigen Milliwatt. Diese Arbeit untersucht weiterhin Nanoelektroden-basierte CW-Photomischer mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad der optischen Leistung in THz-Leistung. Diese Bauelemente haben etwa eine Größenordnung kleinere Bauelement-Kapazität im Vergleich zu einem herkömmlichen Photomischer mit Interdigitalelektroden, um die Verluste zu reduzieren und die Ausgangsleistung zu verbessern. Die Photomischer haben das Potential, einen ausreichenden Photostrom zu erzeugen, wenn ein VCSEL den 1 µm–2 µm großen Elektrodenabstand durch ein Linsensystem intensiv beleuchtet. Bei dieser Untersuchung wurde die Dielektrophoresen-Technik (DEP) verwendet, um Silber-Nanodrähte als Nanoelektroden auszurichten und Photomischer bei 850 nm und 1550 nm mit entsprechenden Substratmaterialien herzustellen. Während die DC-Eigenschaften vielversprechend sind, konnte bisher kein THz-Signal aufgrund der ungeschützten Nanodrähte erzeugt werden. Die Arbeit schließt mit einer detaillierten Analyse der Fehlermechanismen und möglichen Lösungsvorschlägen ab.German
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: 20 Apr 2018 12:18
Last Modified: 20 Apr 2018 12:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-73353
Referees: Küppers, Prof. Dr. Franko and Schenk, Prof. Dr. Harald
Refereed: 20 December 2017
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7335
Export:
Actions (login required)
View Item View Item