Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] I.

A detailed study of the electronic structure and bonding of the pentahalides of group 5 elements V, Nb, Ta, and element 105, hahnium (and Pa) has been carried out using relativistic molecular cluster Dirac-Slater discrete-variational method. A number of calculations have been performed for different geometries and molecular bond distances. The character of the bonding has been analyzed using the Mulliken population analysis of the molecular orbitals. It is shown that hahnium is a typical group 5 element. In a great number of properties it continues trends in the group. Some peculiarities in the electronic structure of HaCl_5 result from relativistic effects.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] II.

Relativistic self-consistent charge Dirac-Slater discrete variational method calculations have been done for the series of molecules MBr_5, where M = Nb, Ta, Pa, and element 105, Ha. The electronic structure data show that the trends within the group 5 pentabromides resemble those for the corresponding pentaclorides with the latter being more ionic. Estimation of the volatility of group 5 bromides has been done on the basis of the molecular orbital calculations. According to the results of the theoretical interpretation HaBr_5 seems to be more volatile than NbBr_5 and TaBr_5.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] III.

Electronic structures of MOCl_3 and MOBr_3 molecules, where M = V, Nb, Ta, Pa, and element 105, hahnium, have been calculated using the relativistic Dirac-Slater discrete variational method. The character of bonding has been analyzed using the Mulliken population analysis of the molecular orbitals. It was shown that hahnium oxytrihalides have similar properties to oxytrihalides of Nb and Ta and that hahnium has the highest tendency to form double bond with oxygen. Some peculiarities in the electronic structure of HaOCl_3 and HaOBr_3 result from relativistic effects. Volatilities of the oxytrihalides in comparison with the corresponding pentahalides were considered using results of the present calculations. Higher ionic character and lower covalency as well as the presence of dipole moments in MOX_3 (X = Cl, Br) molecules compared to analogous MX_5 ones are the factors contributing to their lower volatilities.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] IV.

Results of relativistic (Dirac-Slater and Dirac-Fock) and nonrelativistic (Hartree-Fock-Slater) atomic and molecular calculations have been compared for the group 5 elements Nb, Ta, and Ha and their compounds MCl_5, to elucidate the influence of relativistic effects on their properties especially in going from the 5d element Ta to the 6d element Ha. The analysis of the radial distribution of the valence electrons of the metals for electronic configurations obtained as a result of the molecular calculations and their overlap with ligands show opposite trends in behavior for ns_1/2, np_l/2, and (n -1 )d_5/2 orbitals for Ta and Ha in the relativistic and nonrelativistic cases. Relativistic contraction and energetic stabilization of the ns_1/2 and np_l/2 wave functions and expansion and destabilization of the (n-1)d_5/2 orbitals make hahnium pentahalide more covalent than tantalum pentahalide and increase the bond strength. The nonrelativistic treatment of the wave functions results in an increase in ionicity of the MCl_5 molecules in going from Nb to Ha making element Ha an analog of V. Different trends for the relativistic and nonrelativistic cases are also found for ionization potentials, electronic affinities, and energies of charge-transfer transitions as well as the stability of the maximum oxidation state.

Theoretical study of magnetism, structure and chemical order in transition-metal alloy clusters

Research on transition-metal nanoalloy clusters composed of a few atoms is fascinating by their unusual properties due to the interplay among the structure, chemical order and magnetism. Such nanoalloy clusters, can be used to construct nanometer devices for technological applications by manipulating their remarkable magnetic, chemical and optical properties. Determining the nanoscopic features exhibited by the magnetic alloy clusters signifies the need for a systematic global and local exploration of their potential-energy surface in order to identify all the relevant energetically low-lying magnetic isomers. In this thesis the sampling of the potential-energy surface has been performed by employing the state-of-the-art spin-polarized density-functional theory in combination with graph theory and the basin-hopping global optimization techniques. This combination is vital for a quantitative analysis of the quantum mechanical energetics. The first approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the graph theory method, is applied to study the Fe$_m$Rh$_n$ and Co$_m$Pd$_n$ clusters having $N = m+n \leq 8$ atoms. We carried out a thorough and systematic sampling of the potential-energy surface by taking into account all possible initial cluster topologies, all different distributions of the two kinds of atoms within the cluster, the entire concentration range between the pure limits, and different initial magnetic configurations such as ferro- and anti-ferromagnetic coupling. The remarkable magnetic properties shown by FeRh and CoPd nanoclusters are attributed to the extremely reduced coordination number together with the charge transfer from 3$d$ to 4$d$ elements. The second approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the basin-hopping method is applied to study the small Fe$_6$, Fe$_3$Rh$_3$ and Rh$_6$ and the larger Fe$_{13}$, Fe$_6$Rh$_7$ and Rh$_{13}$ clusters as illustrative benchmark systems. This method is able to identify the true ground-state structures of Fe$_6$ and Fe$_3$Rh$_3$ which were not obtained by using the first approach. However, both approaches predict a similar cluster for the ground-state of Rh$_6$. Moreover, the computational time taken by this approach is found to be significantly lower than the first approach. The ground-state structure of Fe$_{13}$ cluster is found to be an icosahedral structure, whereas Rh$_{13}$ and Fe$_6$Rh$_7$ isomers relax into cage-like and layered-like structures, respectively. All the clusters display a remarkable variety of structural and magnetic behaviors. It is observed that the isomers having similar shape with small distortion with respect to each other can exhibit quite different magnetic moments. This has been interpreted as a probable artifact of spin-rotational symmetry breaking introduced by the spin-polarized GGA. The possibility of combining the spin-polarized density-functional theory with some other global optimization techniques such as minima-hopping method could be the next step in this direction. This combination is expected to be an ideal sampling approach having the advantage of avoiding efficiently the search over irrelevant regions of the potential energy surface.

Development of directly modulated high speed telecommunication lasers based on surface defined feedback gratings

High-speed semiconductor lasers are an integral part in the implemen- tation of high-bit-rate optical communications systems. They are com- pact, rugged, reliable, long-lived, and relatively inexpensive sources of coherent light. Due to the very low attenuation window that exists in the silica based optical fiber at 1.55 μm and the zero dispersion point at 1.3 μm, they have become the mainstay of optical fiber com- munication systems. For the fabrication of lasers with gratings such as, distributed bragg reflector or distributed feedback lasers, etching is the most critical step. Etching defines the lateral dimmensions of the structure which determines the performance of optoelectronic devices. In this thesis studies and experiments were carried out about the exist- ing etching processes for InP and a novel dry etching process was de- veloped. The newly developed process was based on Cl2/CH4/H2/Ar chemistry and resulted in very smooth surfaces and vertical side walls. With this process the grating definition was significantly improved as compared to other technological developments in the respective field. A surface defined grating definition approach is used in this thesis work which does not require any re-growth steps and makes the whole fabrication process simpler and cost effective. Moreover, this grating fabrication process is fully compatible with nano-imprint lithography and can be used for high throughput low-cost manufacturing. With usual etching techniques reported before it is not possible to etch very deep because of aspect ratio dependent etching phenomenon where with increasing etch depth the etch rate slows down resulting in non-vertical side walls and footing effects. Although with our de- veloped process quite vertical side walls were achieved but footing was still a problem. To overcome the challenges related to grating defini- tion and deep etching, a completely new three step gas chopping dry etching process was developed. This was the very first time that a time multiplexed etching process for an InP based material system was demonstrated. The developed gas chopping process showed extra ordinary results including high mask selectivity of 15, moderate etch- ing rate, very vertical side walls and a record high aspect ratio of 41. Both the developed etching processes are completely compatible with nano imprint lithography and can be used for low-cost high-throughput fabrication. A large number of broad area laser, ridge waveguide laser, distributed feedback laser, distributed bragg reflector laser and coupled cavity in- jection grating lasers were fabricated using the developed one step etch- ing process. Very extensive characterization was done to optimize all the important design and fabrication parameters. The devices devel- oped have shown excellent performance with a very high side mode suppression ratio of more than 52 dB, an output power of 17 mW per facet, high efficiency of 0.15 W/A, stable operation over temperature and injected currents and a threshold current as low as 30 mA for almost 1 mm long device. A record high modulation bandwidth of 15 GHz with electron-photon resonance and open eye diagrams for 10 Gbps data transmission were also shown.

Optimization in the Technological Steps for the Fabrication of Large Area Micromirror Arrays

Micromirror arrays are a very strong candidate for future energy saving applications. Within this work, the fabrication process for these micromirror arrays has been optimized and some steps for the large area fabrication of micromirror modules were performed. At first the surface roughness of the insulation layer of silicon dioxide (SiO2) was investigated. This SiO2 thin layer was deposited on three different type of substrates i.e. silicon, glass and Polyethylene Naphthalate (PEN) substrates. The deposition techniques which has been used are Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Physical Vapor Deposition (PVD) and Ion Beam Sputter Deposition (IBSD). The thickness of the SiO2 thin layer was kept constant at 150nm for each deposition process. The surface roughness was measured by Stylus Profilometry and Atomic Force Microscopy (AFM). It was found that the layer which was deposited by IBSD has got the minimum surface roughness value and the layer which was deposited by PECVD process has the highest surface roughness value. During the same investigation, the substrate temperature of PECVD was varied from 80° C to 300° C with the step size of 40° C and it was found that the surface roughness keeps on increasing as the substrate holder temperature increases in the PECVD process. A new insulation layer system was proposed to minimize the dielectric breakdown effect in insulation layer for micromirror arrays. The conventional bilayer system was replaced by five layer system but the total thickness of insulation layer remains the same. It was found that during the actuation of micromirror arrays structure, the dielectric breakdown effect was reduced considerably as compared to the bilayer system. In the second step the fabrication process of the micromirror arrays was successfully adapted and transferred from glass substrates to the flexible PEN substrates by optimizing the conventional process recipe. In the last section, a large module of micromirror arrays was fabricated by electrically interconnecting four 10cm×10cm micromirror modules on a glass pane having dimensions of 21cm×21cm.

Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle

Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.