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.