Ultra small integrated optical fiber sensing system

This paper introduces a revolutionary way to interrogate optical fiber sensors based on fiber Bragg gratings (FBGs) and to integrate the necessary driving optoelectronic components with the sensor elements. Low-cost optoelectronic chips are used to interrogate the optical fibers, creating a portable dynamic sensing system as an alternative for the traditionally bulky and expensive fiber sensor interrogation units. The possibility to embed these laser and detector chips is demonstrated resulting in an ultra thin flexible optoelectronic package of only 40 µm, provided with an integrated planar fiber pigtail. The result is a fully embedded flexible sensing system with a thickness of only 1 mm, based on a single Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL), fiber sensor and photodetector chip. Temperature, strain and electrodynamic shaking tests have been performed on our system, not limited to static read-out measurements but dynamically reconstructing full spectral information datasets.

Low-cost fully integrated fiber Bragg grating interrogation system

Fiber Bragg gratings can be used for monitoring different parameters in a wide variety of materials and constructions. The interrogation of fiber Bragg gratings traditionally consists of an expensive and spacious peak tracking or spectrum analyzing unit which needs to be deployed outside the monitored structure. We present a dynamic low-cost interrogation system for fiber Bragg gratings which can be integrated with the fiber itself, limiting the fragile optical in- and outcoupling interfaces and providing a compact, unobtrusive driving and read-out unit. The reported system is based on an embedded Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) which is tuned dynamically at 1 kHz and an embedded photodiode. Fiber coupling is provided through a dedicated 45° micromirror yielding a 90° in-the-plane coupling and limiting the total thickness of the fiber coupled optoelectronic package to 550 µm. The red-shift of the VCSEL wavelength is providing a full reconstruction of the spectrum with a range of 2.5 nm. A few-mode fiber with fiber Bragg gratings at 850 nm is used to prove the feasibility of this low-cost and ultra-compact interrogation approach.

A compact, portable and low cost generic interrogation strain sensor system using an embedded VCSEL, detector and fibre Bragg grating

We present a compact, portable and low cost generic interrogation strain sensor system using a fibre Bragg grating configured in transmission mode with a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) light source and a GaAs photodetector embedded in a polymer skin. The photocurrent value is read and stored by a microcontroller. In addition, the photocurrent data is sent via Bluetooth to a computer or tablet device that can present the live data in a real time graph. With a matched grating and VCSEL, the system is able to automatically scan and lock the VCSEL to the most sensitive edge of the grating. Commercially available VCSEL and photodetector chips are thinned down to 20 µm and integrated in an ultra-thin flexible optical foil using several thin film deposition steps. A dedicated micro mirror plug is fabricated to couple the driving optoelectronics to the fibre sensors. The resulting optoelectronic package can be embedded in a thin, planar sensing sheet and the host material for this sheet is a flexible and stretchable polymer. The result is a fully embedded fibre sensing system - a photonic skin. Further investigations are currently being carried out to determine the stability and robustness of the embedded optoelectronic components. © 2012 Copyright Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE).

Ultra small integrated optical fiber sensing system

This paper introduces a revolutionary way to interrogate optical fiber sensors based on fiber Bragg gratings (FBGs) and to integrate the necessary driving optoelectronic components with the sensor elements. Low-cost optoelectronic chips are used to interrogate the optical fibers, creating a portable dynamic sensing system as an alternative for the traditionally bulky and expensive fiber sensor interrogation units. The possibility to embed these laser and detector chips is demonstrated resulting in an ultra thin flexible optoelectronic package of only 40 µm, provided with an integrated planar fiber pigtail. The result is a fully embedded flexible sensing system with a thickness of only 1 mm, based on a single Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL), fiber sensor and photodetector chip. Temperature, strain and electrodynamic shaking tests have been performed on our system, not limited to static read-out measurements but dynamically reconstructing full spectral information datasets.

A compact, portable and low cost generic interrogation strain sensor system using an embedded VCSEL, detector and fibre Bragg grating

We present a compact, portable and low cost generic interrogation strain sensor system using a fibre Bragg grating configured in transmission mode with a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) light source and a GaAs photodetector embedded in a polymer skin. The photocurrent value is read and stored by a microcontroller. In addition, the photocurrent data is sent via Bluetooth to a computer or tablet device that can present the live data in a real time graph. With a matched grating and VCSEL, the system is able to automatically scan and lock the VCSEL to the most sensitive edge of the grating. Commercially available VCSEL and photodetector chips are thinned down to 20 µm and integrated in an ultra-thin flexible optical foil using several thin film deposition steps. A dedicated micro mirror plug is fabricated to couple the driving optoelectronics to the fibre sensors. The resulting optoelectronic package can be embedded in a thin, planar sensing sheet and the host material for this sheet is a flexible and stretchable polymer. The result is a fully embedded fibre sensing system - a photonic skin. Further investigations are currently being carried out to determine the stability and robustness of the embedded optoelectronic components. © 2012 Copyright Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE).

Low-cost fully integrated fiber Bragg grating interrogation system

Fiber Bragg gratings can be used for monitoring different parameters in a wide variety of materials and constructions. The interrogation of fiber Bragg gratings traditionally consists of an expensive and spacious peak tracking or spectrum analyzing unit which needs to be deployed outside the monitored structure. We present a dynamic low-cost interrogation system for fiber Bragg gratings which can be integrated with the fiber itself, limiting the fragile optical in- and outcoupling interfaces and providing a compact, unobtrusive driving and read-out unit. The reported system is based on an embedded Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) which is tuned dynamically at 1 kHz and an embedded photodiode. Fiber coupling is provided through a dedicated 45° micromirror yielding a 90° in-the-plane coupling and limiting the total thickness of the fiber coupled optoelectronic package to 550 µm. The red-shift of the VCSEL wavelength is providing a full reconstruction of the spectrum with a range of 2.5 nm. A few-mode fiber with fiber Bragg gratings at 850 nm is used to prove the feasibility of this low-cost and ultra-compact interrogation approach.

Dynamic strain sensor using a vcsel and a polymer fiber bragg grating in a multimode fiber

We have implemented a dynamic strain sensor using a Polymer Optical Fiber Bragg Grating (POFBG). In this paper, we have investigated an approach for making such systems cheaper through the use of easy to handle multimode fiber. A Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser is used to decrease the cost of the interrogation system and a photodetector converts the reflected light into an electrical signal.

Modeling diffraction in free-space optical interconnects by the mode expansion method

Free-space optical interconnects (FSOIs), made up of dense arrays of vertical-cavity surface-emitting lasers, photodetectors and microlenses can be used for implementing high-speed and high-density communication links, and hence replace the inferior electrical interconnects. A major concern in the design of FSOIs is minimization of the optical channel cross talk arising from laser beam diffraction. In this article we introduce modifications to the mode expansion method of Tanaka et al. [IEEE Trans. Microwave Theory Tech. MTT-20, 749 (1972)] to make it an efficient tool for modelling and design of FSOIs in the presence of diffraction. We demonstrate that our modified mode expansion method has accuracy similar to the exact solution of the Huygens-Kirchhoff diffraction integral in cases of both weak and strong beam clipping, and that it is much more accurate than the existing approximations. The strength of the method is twofold: first, it is applicable in the region of pronounced diffraction (strong beam clipping) where all other approximations fail and, second, unlike the exact-solution method, it can be efficiently used for modelling diffraction on multiple apertures. These features make the mode expansion method useful for design and optimization of free-space architectures containing multiple optical elements inclusive of optical interconnects and optical clock distribution systems. (C) 2003 Optical Society of America.

Analysis of the effect of transverse modes on free-space optical interconnect performance

Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and microlenses can be used to implement free space optical interconnects (FSOIs) which do not suffer from the bandwidth limitations inherent in metallic interconnects. A comprehensive link equation describing the effects of both optical and electrical noise is introduced. We have evaluated FSOI performance by examining the following metrics: the space-bandwidth product (SBP), describing the density of channels and aggregate bandwidth that can be achieved, and the carrier-to-noise ratio (CNR), which represents the relative strength of the carrier signal. The mode expansion method (MEM) was used to account for the primary cause of optical noise: laser beam diffraction. While the literature commonly assumes an ideal single-mode laser beam, we consider the experimentally determined multimodal structure of a VCSEL beam in our calculations. It was found that maximum achievable interconnect length and density for a given CNR was significantly reduced when the higher order transverse modes were present in Simulations. However, the Simulations demonstrate that free-space optical interconnects are still a suitable solution for the communications bottleneck, despite the adverse effects introduced by transverse modes.

Lasers - An effective artificial source of radiation for the cultivation of anoxygenic photosynthetic bacteria

The laser diode (LD) is a unique light source that can efficiently produce all radiant energy within the narrow wavelength range used most effectively by a photosynthetic microorganism. We have investigated the use of a single type of LID for the cultivation of the well-studied anoxygenic photosynthetic bacterium, Rhodobacter capsulatus (Rb. capsulatus). An array of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) was driven with a current of 25 mA, and delivered radiation at 860 nm with 0.4 nm linewidth. The emitted light was found to be a suitable source of radiant energy for the cultivation of Rb. capsulatus. The dependence of growth rate on incident irradiance was quantified. Despite the unusual nearly monochromatic light source used in these experiments, no significant changes in the pigment composition and in the distribution of bacteriochlorophyll between LHII and LHI-RC were detected in bacterial cells transferred from incandescent light to laser light. We were also able to show that to achieve a given growth rate in a light-limited culture, the VCSEL required only 30% of the electricity needed by an incandescent bulb, which is of great significance for the potential use of laser-devices in biotechnological applications and photobioreactor construction. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

Slow dynamis in the 3D gonihedric model

We provide analytical evidence of stochastic resonance in polarization switching vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). We describe the VCSEL by a two-mode stochastic rate equation model and apply a multiple time-scale analysis. We were able to reduce the dynamical description to a single stochastic differential equation, which is the starting point of the analytical study of stochastic resonance. We confront our results with numerical simulations on the original rate equations, validating the use of a multiple time-scale analysis on stochastic equations as an analytical tool.

High-frequency signal generation using 1550 nm VCSEL subject to two-frequency optical injection

We experimentally investigate high-frequency microwave signal generation using a 1550 nm single-mode VCSEL subject to two-frequency optical injection. We first consider a situation in which the injected signals come from two similar VCSELs. The polarization of the injected light is parallel to that of the injected VCSEL. We obtain that the VCSEL can be locked to one of the injected signals, but the observed microwave signal is originated by beating at the photodetector. In a second situation we consider injected signals that come from two external cavity tunable lasers with a significant increase of the injected power with respect to the VCSEL-by-VCSEL injection case. The polarization of the injected light is orthogonal to that of the free-running slave VCSEL. We show that in this case it is possible to generate a microwave signal inside the VCSEL cavity. © (2013) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.

Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices

We present models for the optical functions of 11 metals used as mirrors and contacts in optoelectronic and optical devices: noble metals (Ag, Au, Cu), aluminum, beryllium, and transition metals (Cr, Ni, Pd, Pt, Ti, W). We used two simple phenomenological models, the Lorentz-Drude (LD) and the Brendel-Bormann (BB), to interpret both the free-electron and the interband parts of the dielectric response of metals in a wide spectral range from 0.1 to 6 eV. Our results show that the BE model was needed to describe appropriately the interband absorption in noble metals, while for Al, Be, and the transition metals both models exhibit good agreement with the experimental data. A comparison with measurements on surface normal structures confirmed that the reflectance and the phase change on reflection from semiconductor-metal interfaces (including the case of metallic multilayers) can be accurately described by use of the proposed models for the optical functions of metallic films and the matrix method for multilayer calculations. (C) 1998 Optical Society of America.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.