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Surface Micromachined Widely Tunable VCSEL and OAM-Filter for Optical Data Transmission

Paul, Sujoy :
Surface Micromachined Widely Tunable VCSEL and OAM-Filter for Optical Data Transmission.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Surface Micromachined Widely Tunable VCSEL and OAM-Filter for Optical Data Transmission
Language: English
Abstract:

The implication of wavelength division multiplexed passive optical network (WDM PON) is becoming more evident as the traffic demands of the mobile network operators keep increasing. It offers a cost-efficient solution to handle the bandwidth and latency requirements of the mobile fronthaul. The key component of such a WDM-PON system is a centralized wavelength-controlled tunable laser. The biggest challenge up to now is the lack of low-cost wideband 1550 nm tunable lasers with 10 Gbit/s transmission capacity. In the first part of this work, a widely-tunable microelectromechanical system vertical-cavity surface-emitting laser (MEMS VCSEL) is developed. The cost-efficient, directly-modulated laser can be utilized for 10Gbit/s transmission over relevant reach. It also offers simplicity for wideband autonomous tuning. The device is suitable for applications including hot backup and fixed wavelength laser replacement for inventory reduction.

Within the framework of this work, a PECVD-deposited MEMS distributed Bragg reflector (DBR) mirror is surface-micromachined on top of a short-cavity active VCSEL structure. The MEMS-DBR consisting of SiNx/SiOy dielectric materials has a very high reflectivity with wide stopband. Wavelength tuning is realized by the electrothermal actuation of the MEMS electrode. The fabrication steps of the MEMS aiming for large volume production is discussed in detail. A comprehensive static and dynamic characterizations of MEMS VCSEL including far-field, linewidth, polarization behavior, modulation capacity and relative intensity noise is presented. The effect of the temperature change on its tuning behavior as well as on the static and dynamic performance is investigated. The obtained wavelength tuning range of more than 100 nm covers the complete telecom C-band (1530–1565 nm) and part of L-band (1565–1625 nm). A small-signal amplitude modulation bandwidth of up to 8.35GHz is demonstrated for the center emission wavelength around 1550 nm. This enables to implement a directly-modulated MEMS VCSEL based back-to-back link at 10Gbit/s data transmission for 76 nm tuning range. Also, quasi error-free 10Gbit/s transmission over 40 km standard single-mode fiber for a tuning range of more than 60 nm validates its potential for the above mentioned novel WDM-PON system. Apart from optical communication, the scope of this tunable source is investigated in applications such as dispersion spectroscopy and tunable terahertz (THz) signal generation. Experimental validation of multi-species dispersion spectroscopy using MEMS VCSEL is presented for the first time in this work, where concurrent detection of acetylene (C2H2), hydrogen cyanide (HCN), and carbon monoxide (CO) is demonstrated.

The second part of the work constitutes demonstration and experimental validation of a novel optical component called MEMS orbital angular momentum (OAM) filter. The filter consists of a micro-sized spiral phase plate (SPP) which is integrated to the MEMS-DBR of a Fabry-Perot optical filter by means of direct laser writing. The onchip devices are suitable for distinguishing different OAM modes for a broad tuning range around 1550 nm emission and considered as a compact, robust and cost-effective solution for simultaneous OAM- and WDM optical communications. The utilization of the OAM modes as an additional orthogonal basis of information carriers in both free space and optical fiber communication systems potentially enhances the transmission capacity tremendously. Four devices with OAM orders of 0 (i.e., no SPP on MEMS), 1, 2 and 3 have been investigated. They are capable of generating/receiving the OAM beam of corresponding order over a continuous tuning range of more than 30 nm, for which the designed SPPs work with high mode purity. The system performance is evaluated by multiplexing two wavelength- and two OAM channels. Error-free free-space transmission at 10Gbit/s suggests that OAM-filters functioning over a wide wavelength range could be employed as an additional degree of freedom for increasing the capacity of free-space communication to a great extent.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Verwirklichung eines passiven optischen Wellenlängenmultiplex-Netzwerks (WDM-PON) wird immer dringender, sobald die Datenanforderungen der Mobilfunknetzbetreiber weiter zunehmen. Es bietet eine kosteneffiziente Lösung, um die Bandbreiten- und Latenzanforderungen des mobilen Fronthauls zu erfüllen. Die Schlüsselkomponente eines solchen WDM-PON-Systems ist ein zentralisiert wellenlängengesteuerbarer Laser. Die größte Herausforderung ist bisher das Fehlen von kostengünstigen, abstimmbaren Breitband-1550-nm-Lasern, die eine Übertragung von 10 Gbit/s ermöglichen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine mikroelektromechanisch weit abstimmbare Oberflächen-emittierende Laserdiode mit Vertikalresonator (engl. micro-electro-mechanical system vertical-cavity surface-emitting laser, MEMS-VCSEL) entwickelt, der eine kostengünstige, direkt modulierte 10 Gbit/s Übertragung über die relevante Reichweite ermöglicht und eine Vereinfachung für das autonome Breitband-Tuning bietet. Das Bauteil ist für Anwendungen geeignet, die einen Ersatz durch Hot Backup und Laser mit fester Wellenlänge zur Reduzierung des Lagerbestands umfassen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein PECVD-abgeschiedener MEMS-Bragg-Spiegel (engl. distributed Bragg reflector, DBR) auf einer aktiven VCSEL-Struktur für hoher Modulationsgeschwindigkeiten mittels Oberflächenmikromachining aufgebracht. Der MEMS-DBR, der aus dielektrischen SiNx/SiOy-Materialien besteht, weist eine sehr hohe Reflektivität mit einem breiten Stoppband auf. Die Wellenlängenabstimmung wird durch elektrothermische Aktuation der MEMS-Elektrode erreicht. Die Herstellung der MEMS mit dem Ziel der Großserienproduktion wird ausführlich diskutiert. Eine umfassende statische und dynamische Charakterisierung von MEMS-VCSELn einschließlich Fernfeld, Linienbreite, Polarisationsverhalten, Modulationskapazität und relativem Intensitätsrauschen wird vorgestellt. Die Auswirkung der Temperaturänderung auf ihren Abstimmbereich, sowie auf die statischen und dynamischen Eigenschaften wird untersucht. Der erhaltene Wellenlängen-Abstimmbereich von ca. 100 nm umfasst das komplette Telekom-C-Band (1530 - 1565 nm) und einen Teil des L-Bandes (1565 - 1625 nm). Eine Kleinsignalamplitudenmodulationsbandbreite von bis zu 7 GHz wird bei 1550 nm Emission demonstriert. Dies ermöglicht die Implementierung einer direkt modulierten MEMS-VCSEL-basierten Back-to-Back-Verbindung bei 10 Gbit/s Datenübertragung über einen Abstimmbereich von 76 nm. Außerdem bestätigt eine quasi fehlerfreie 10-Gbit/s-Über-tragung über eine Standard-Einmodenfaser von 40 km für einen Abstimmbereich von mehr als 60 nm ihr Potential für das oben erwähnte neue WDM-PON-System. Neben der optischen Kommunikation wird der Anwendungsbereich dieser abstimmbaren Quelle in Anwendungen wie der Dispersionsspektroskopie und der abstimmbaren Terahertz (THz)-Signalerzeugung untersucht. Die experimentelle Validierung der Multispezies-Dispersions-spektroskopie mit MEMS-VCSEL wird erstmals in dieser Arbeit vorgestellt, in der der gleichzeitige Nachweis von Cyanwasserstoff, Acetylen und Kohlenmonoxid demonstriert wird. Der zweite Teil der Arbeit stellt die Demonstration und experimentelle Validierung einer neuartigen optischen Komponente dar, die als MEMS Orbitaldrehimpuls (engl. orbital angular momentum, OAM)-Filter bezeichnet wird. Das Filter besteht aus einer mikroskopisch kleinen Spiralphasenplatte (SPP), die (durch direktes Laserschreiben) in den MEMS-DBR eines optischen Fabry-Perot-Filters integriert ist. Die On-Chip-Bausteine eignen sich zur Unterscheidung verschiedener OAM-Modi für einen breiten Abstimmbereich um die 1550-nm-Emission und werden als kompakte, robuste und kostengünstige Lösung für gleichzeitige optische OAM- und WDM-Kommunikation betrachtet. Die Verwendung der OAM-Modi als zusätzliche orthogonale Basis von Informationsträgern sowohl in Freiraum- als auch optischen Faserkommunikationssystemen erhöht möglicherweise die Übertragungskapazität enorm. Vier Chips mit OAM-Ordnungen von 0 (kein SPP auf MEMS), 1, 2 und 3 wurden untersucht. Sie sind in der Lage, den OAM-Strahl entsprechender Ordnung über einen kontinuierlichen Abstimmbereich von mehr als 30 nm zu erzeugen/zu empfangen, wofür die entworfenen SPPs mit hoher Modenreinheit arbeiten. Die Systemleistung wird beim Multiplexen von zwei Wellenlängen- und zwei OAM-Kanälen ausgewertet. Eine fehlerfreie Übertragung bei 10 Gbit/s in freiem Raum legt nahe, dass OAM, das über einen weiten Wellenlängen-bereich funktioniert, ein nützlicher Freiheitsgrad sein könnte, um die Kapazität der Datenübertragung im freien Raum enorm zu erhöhen.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
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 10 Jul 2019 12:02
Last Modified: 10 Jul 2019 12:02
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87996
Referees: Küppers, Dr.-Ing. Franko and Lemmer, Dr. Ulrich
Refereed: 19 April 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8799
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