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.

High speed and high resolution demodulation system for hybrid WDM/FDM based fiber microstructure sensor network by using Fabry-Perot filter

Hybrid WDM/TDM enabled microstructure based optical fiber sensor network with large capacity is proposed. Assisted by Fabry-Perot filter, the demodulation system with high speed of 500Hz and high wavelength resolution less than 4.91pm is realized. © OSA 2015.

Fabry-Perot micro-structured polymer optical fibre sensors for opto-acoustic endoscopy

Opto-Acoustic Endoscopy (OAE) requires sensors with a high sensitivity and small physical dimensions in order to facilitate integration into an endoscope of less than 1mm in diameter. We present fibre Bragg grating (FBG) and Fabry- Perot intrinsic fibre sensors for ultrasound detection. We present a structure profile characterisation setup to analyse tune the fibre sensors in preparation for ultrasonic detection. We evaluate the suitability of the different structures and grating parameters for ultrasonic sensing. By analysing the prepared gratings, we enable the optimisation of the profile and a simplification of the detection regime for an optimal interferometric OAE configuration.

Microfiber Fabry-Perot interferometer for dual-parameter sensing

We propose and demonstrate a microfiber Fabry-Perot interferometer (MFPI) fabricated by taper-drawing microfiber at the center of a uniform fiber Bragg grating (FBG). The MFPI employing the two separated sections of FBG as reflectors and a length of microfiber as its cavity is derived. Theoretic study shows that the reflection spectrum of such MFPI is consisted of two parts-interference fringes induced by multi-beam interference and reflection spectrum envelope induced by FBGs. Temperature affects both interference fringes and reflection wavelength of FBGs while ambient refractive index (RI) only influences the interference fringes, i.e., MFPI has different response to temperature and RI. Therefore, MFPI for simultaneous sensing of RI and temperature is experimentally demonstrated by tracking a reflection peak of interference fringes and the Bragg wavelength of the FBGs, which are respectively assisted by frequency domain processing and Gaussian fitting of the optical spectrum. Consequently, wavelength measurement resolution of 0.5 pm is realized. © 1983-2012 IEEE.

Performance analysis of polymer optical fibre based Fabry-Perot sensor formed by two uniform Bragg gratings

The stress sensitivity of polymer optical fibre (POF) based Fabry-Perot sensors formed by two uniform Bragg gratings with finite dimensions is investigated. POF has received high interest in recent years due to its different material properties compared to its silica counterpart. Biocompatibility, a higher failure strain and the highly elastic nature of POF are some of the main advantages. The much lower Young’s modulus of polymer materials compared to silica offers enhanced stress sensitivity to POF based sensors which renders them great candidates for acoustic wave receivers and any kind of force detection. The main drawback in POF technology is perhaps the high fibre loss. In a lossless fibre the sensitivity of an interferometer is proportional to its cavity length. However, the presence of the attenuation along the optical path can significantly reduce the finesse of the Fabry-Perot interferometer and it can negatively affect its sensitivity at some point. The reflectivity of the two gratings used to form the interferometer can be also reduced as the fibre loss increases. In this work, a numerical model is developed to study the performance of POF based Fabry-Perot sensors formed by two uniform Bragg gratings with finite dimensions. Various optical and physical properties are considered such as grating physical length, grating effective length which indicates the point where the light is effectively reflected, refractive index modulation of the grating, cavity length of the interferometer, attenuation and operating wavelength. Using this model, we are able to identify the regimes in which the PMMA based sensor offer enhanced stress sensitivity compared to silica based one.

Wide Field of View Spectroscopy Using Fabry-Perot Interferometers

We present a high resolution spectrometer consisting of dual solid Fabry-Perot Interferometers (FPIs). This work is intended to be an all inclusive documentation of the instrument including discussion of the design of this instrument, the methods used in data reduction, and the analysis of these data. Each FPI is made of a single piece of L-BBH2 glass which has a high index of refraction n~2.07 with a thickness on the order of 100 μm. Each is then coated with partially reflective mirrors to create a resonant cavity and thus achieve a spectral resolution of R~30,000. Running the FPIs in tandem reduces the overlapping orders and allows for a much wider free spectral range and higher contrast. We will also discuss the properties of the FPIs which we have measured. This includes the tuning of the FPIs which is achieved by adjusting the temperature and thus changing the FPI gap and the refractive index of the material. The spectrometer then moves spatially in order to get spectral information at every point in the field of view. We select spectral lines for further analysis and create maps of the line depths across the field. Using this technique we are able to measure the fluorescence of chlorophyll in plants and attempt to observe zodiacal light. In the chlorophyll analysis we are able to detect chlorophyll fluorescence using the line depth in a plant using the sky as a reference solar spectrum. This instrument has possible applications in either a cubesat or aerial observations to measure bulk plant activity over large areas.

Sinusoidal phase-modulating laser diode interferometer for measuring angular displacement

We propose a sinusoidal phase-modulating laser diode interferometer for measuring small angular displacement. The interferometer is based on a Fabry-Perot plate. It has a simple structure and is insensitive to external disturbance. Sinusoidal phase-modulating interferometry is used for improving the measurement accuracy. A charge-coupled device (CCD) image sensor is used for measuring the distance between the reflected beams from two faces of the Fabry-Perot plate. From the distance, the initial angle of incidence is calculated. Compared with Michelson interferometers and autocollimators, this interferometer has the advantage of compact size and simple structure. The numerical calculation and experimental results verify the usefulness of this novel interferometer. (C) 2004 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

An Optically recombined laser interferometer for gravitational wave detection

Kilometer scale interferometers for the detection of gravitational waves are currently under construction by the LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) and VIRGO projects. These interferometers will consist of two Fabry-Perot cavities illuminated by a laser beam which is split in half by a beam splitter. A recycling mirror between the laser and the beam splitter will reflect the light returning from the beam splitter towards the laser back into the interferometer. The positions of the optical components in these interferometers must be controlled to a small fraction of a wavelength of the laser light. Schemes to extract signals necessary to control these optical components have been developed and demonstrated on the tabletop. In the large scale gravitational wave detectors the optical components must be suspended from vibration isolation platforms to achieve the necessary isolation from seismic motion. These suspended components present a new class of problems in controlling the interferometer, but also provide more exacting test of interferometer signal and noise models.

This thesis discusses the first operation of a suspended-mass Fabry-Perot-Michelson interferometer, in which signals carried by the optically recombined beams are used to detect and control all important mirror displacements. This interferometer uses an optical configuration and signal extraction scheme that is planned for the full scale LIGO interferometers with the simplification of the removal of the recycling mirror. A theoretical analysis of the performance that is expected from such an interferometer is presented and the experimental results are shown to be in generally good agreement.

Single mode Er-doped pi-phase-shifted distributed feedback fibre grating laser

A novel method incorporating the shielded method and the post-processing method has been proposed to fabricate the pi-phase-shilted fibre grating. Then an Er-doped pi-phase-shifted distributed feedback fibre grating laser has been fabricated using the grating. The laser threshold is 20 mW. When pumped with 90 mW light at 980 nm, the laser gives an output of 1.1 mW. Its signal-to-noise ratio is better than 60 dB. It is demonstrated that the laser is single mode operation by means of a Fabry-Perot scanning interferometer.

2D-lattice distributed reflector laser

A single-contact, mode-hop-free, single longitudinal mode laser operating cw under large signal modulation at 2.5 Gbit/s at room temperature was created by introducing a short etched region around the ridge-waveguide of a Fabry-Perot laser. The device could be suitable for use in extended range data communications applications.

Performance of single mode laser components using 2D photonic lattice reflectors

This paper will report studies of the placement of 2D photonic gratings on either side of the ridge in a Fabry Perot laser device in order to cause single mode emission. Using this approach, side mode suppression ratios of up to 30 dB are achieved, the emission remaining single mode even under 10 Gb/s large signal modulation. It is found that the use of the grating not only causes spectrally dependent reflection but in addition can lead to transverse mode fluctuations. The action of the grating has been studied not just in terms of its edge emission where conversion of the transverse modes is achieved, but also through measurement of the vertical emission from the structure where strong filtering action is observed.

Stabilized and tunable single-frequency erbium-doped fiber ring laser employing external injection locking

A stabilized and tunable single-longitudinal-mode erbium-doped fiber ring laser has been proposed and experimentally demonstrated. The laser is structured by combining the compound cavity with a fiber Fabry-Perot tunable filter. An injection-locking technique has been used to stabilize the wavelength and output power of the laser. One of the longitudinal modes is stimulated by the injected continuous wave so that this mode is able to win the competition to stabilize the system. A minimum output power of 0.6 dBm and a signal-to-noise ratio of over 43 dB within the tuning range of 1527-1562 nm can be achieved with the proposed technique. A wavelength variation of less than 0.01 nm, a power fluctuation of less than 0.02 dB, and a short-term linewidth of about 1.4 kHz have also been obtained.

Influence of lateral propagating modes on laser output characteristics in selectively oxidized vertical cavity surface-emitting lasers with double oxide layers

The influence of lateral propagating modes on the threshold current and the spontaneous emission factor in selectively oxidized vertical cavity surface-emitting lasers (VCSELs) is investigated based on the mode behaviors of lateral propagating modes and the rate equation model. The numerical results show that the lateral propagating modes may be trapped in the aperture region for the selectively oxidized VCSEL with two oxide layers, one above and one below the active region. The output characteristics of VCSELs can be affected due to the reabsorption of the quasitrapped lateral propagating modes. A lower threshold current can be expected for a VCSEL with double oxide layers than that with a single oxide layer. The numerical results of rate equations also show that a larger spontaneous emission factor can be obtained by fitting the output-input curves for the VCSEL with double oxide layers. (C) 1999 American Institute of Physics. [S0021-8979(99)07919-0].