Digital data transmission using electro-optically modulated vertical-cavity surface-emitting laser with saturable absorber

An electro-optically (EO) modulated oxide-confined vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) containing a saturable absorber in the VCSEL cavity is studied. The device contains an EO modulator section that is resonant with the VCSEL cavity. A type-II EO superlattice medium is employed in the modulator section and shown to result in a strong negative EO effect in weak electric fields. Applying the reverse bias voltages to the EO section allows triggering of short pulses in the device. Digital data transmission (return-to-zero pseudo-random bit sequence, 27-1) at 10Gb/s at bit-error-rates well below 10-9 is demonstrated. © 2014 AIP Publishing LLC.

Blue-violet Lasing of Optically Pumped GaN-Based Vertical Cavity Surface-Emitting Laser With Dielectric Distributed Bragg Reflectors

Optically pumped GaN-based vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL) with two Ta2O5/SiO2 dielectric distributed Bragg reflectors (DBRs) was fabricated via a simplifled procedure direct deposition of the top DBR onto the GaN surface exposed after substrate removal and no use of etching and polishing processes. Blue-violet lasing action was observed at a wavelength of 397.3 ran under optical pumping at room temperature with a threshold pumping energy density of about 71.5 mJ/cm(2). The laser action was further confirmed by a narrow emission linewidth of 0.13 nm and a degree of polarization of about 65%. The result suggests that practical blue-violet GaN-bsaed VCSEL can be realized by optimizing the laser lift-off technique for substrate removal.

Single mode vertical-cavity surface emitting laser with surface plasmon nanostructure

The vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) has proved to be a low cost light source with attractive properties such as surface emission, circular and low divergence output beam, and simple integration in two-dimensional array. Many new applications such as in spectroscopy, optical storage, short distance fiber optic interconnects, and in longer distance communication, are continuously arising. Many of these applications require stable and single-mode high output power. Several methods that affect the transverse guiding and/or introduce mode selective loss or gain have been developed. In this study, a method for improving the single mode output power by using metal surface plasmons nanostructure is proposed. Theoretical calculation shows that the outpout power is improved about 50% compared to the result of standard VCSELs.

Photonic crystal vertical-cavity surface-emitting laser based on GaAs material

A photonic crystal vertical-cavity-surface-emitting laser ( PC-VCSEL) with a wavelength of about 850 nm was realized. The direct-current electrically-driven PC-VCSELs with a minimum threshold current of 2 mA and a maximum threshold current of 13.5 mA were obtained. We fabricated a series of PC-VCSEL chips whose lattice constants are in the range from 0.5 to 3 mu m with different filling factors, and found that the laser characterization depends on the lattice constant, the filling factor, the size of cavity, etc.

Stability improvement of selective oxidation during the fabrication of InGaAs/GaAs vertical cavity surface emitting laser

The effects of the carrier gas flow and water temperature on the oxidation rate for different reaction temperatures were investigated. The optimum conditions for stable oxidation were obtained. Two mechanisms of the oxidation process are revealed. One is the flow-controlling process, which is unstable. The other is the temperature-controlling process, which is stable. The stable region decreases for higher reaction temperatures. The simulation results for the stable oxidation region are also given. With optimum oxidation conditions, the stability and precision of the oxidation can be dramatically improved.

A novel photonic crystal vertical cavity surface emitting laser based on coherent coupling

We demonstrate a novel oxide confined GaAs-based photonic crystal vertical cavity surface emitting laser (PC-VCSEL) operating at a wavelength of 850 nm based on coherent coupling. A ring-shaped light-emitting aperture is added to the conventional PC-VCSEL, and coherent coupling is achieved between the central defect aperture and the ring-shaped light-emitting aperture. Measurements show that under the continuous-wave (CW) injected current of 20 mA, a high power of 2 mW is obtained, and the side mode suppression ratio (SMSR) is larger than 20 dB. The average divergence angle is 4.2 degrees at the current level of 20 mA. Compared with the results ever reported, the divergence angle is reduced.

EFFECTIVE CAVITY LENGTH IN VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER

Effective cavity length method is introduced to vertical cavity surface emitting laser for characterizing some properties, including reflectivity FWHM, mode wavelength and threshold gain. Some experiment results are demonstrated, showing the agreement of theoretical analysis with experiment.

Array for 980nm Vertical Cavity Surface Emitting Diodes and Detectors

Both the vertical cavity surface emitting diodes and detectors are fabricated by using the epitaxial wafer with resonant cavity structure. Their characteristics are analyzed. The light emitters have high spectral purity of 4.8nm and high electroluminescence intensity of 0.7mW while injection current is 50mA. A 1*16 array of surface emitting light device is tested on line by probes and then used for module. The light detectors have wavelength selectivity and space selectivity. The required difference in input mirror reflectivity between emitters and detectors can easily be achieved though varying the numbers of top DBR period by etching.

Stability improvement of selective oxidation during the fabrication of InGaAs/GaAs vertical cavity surface emitting laser

The effects of the carrier gas flow and water temperature on the oxidation rate for different reaction temperatures were investigated. The optimum conditions for stable oxidation were obtained. Two mechanisms of the oxidation process are revealed. One is the flow-controlling process, which is unstable. The other is the temperature-controlling process, which is stable. The stable region decreases for higher reaction temperatures. The simulation results for the stable oxidation region are also given. With optimum oxidation conditions, the stability and precision of the oxidation can be dramatically improved.

Microphotoluminescence investigation of InAs quantum dot active region in 1.3 mu m vertical cavity surface emitting laser structure

Microphotoluminescence (mu-PL) investigation has been performed at room temperature on InAs quantum dot (QD) vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) structure in order to characterize the QD epitaxial structure which was designed for 1.3 mu m wave band emission. Actual and precise QD emission spectra including distinct ground state (GS) and excited state (ES) transition peaks are obtained by an edge-excitation and edge-emission (EEEE) mu-PL configuration. Conventional photoluminescence methods for QD-VCSELs structure analysis are compared and discussed, which indicate the EEEE mu-PL is a useful tool to determine the optical features of the QD active region in an as-grown VCSEL structure. Some experimental results have been compared with simulation results obtained with the aid of the plane-wave admittance method. After adjustment of epitaxial growth according to EEEE mu-PL measurement results, QD-VCSEL structure wafer with QD GS transition wavelength of 1300 nm and lasing wavelength of 1301 nm was obtained.

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.

Modeling Reflective Bistability in Vertical-Cavity Semiconductor Optical Amplifiers

The characteristics of optical bistability in a vertical- cavity semiconductor optical amplifier (VCSOA) operated in reflection are reported. The dependences of the optical bistability in VCSOAs on the initial phase detuning and on the applied bias current are analyzed. The optical bistability is also studied for different numbers of superimposed periods in the top distributed bragg reflector (DBR) that conform the internal cavity of the device. The appearance of the X-bistable and the clockwise bistable loops is predicted theoretically in a VCSOA operated in reflection for the first time, to the best of our knowledge. Moreover, it is also predicted that the control of the VCSOA’s top reflectivity by the addition of new superimposed periods in its top DBR reduces by one order of magnitude the input power needed for the assessment of the X- and the clockwise bistable loop, compared to that required in in-plane semiconductor optical amplifiers. These results, added to the ease of fabricating two-dimensional arrays of this kind of device could be useful for the development of new optical logic or optical signal regeneration devices.

Vertical-cavity semiconductor optical amplifiers (VCSOAs) as optical sensing elements

Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) have mainly found application in optical telecommunication networks for optical signal regeneration, wavelength switching or wavelength conversion. The objective of this paper is to report the use of semiconductor optical amplifiers for optical sensing taking into account their optical bistable properties. As it was previously reported, some semiconductor optical amplifiers, including Fabry-Perot and Distributed-Feedback Semiconductor Optical Amplifiers (FPSOAs and DFBSOAs), may exhibit optical bistability. The characteristics of the attained optical bistability in this kind of devices are strongly dependent on different parameters including wavelength, temperature or applied bias current and small variations lead to a change on their bistable properties. As in previous analyses for Fabry-Perot and DFB SOAs, the variations of these parameters and their possible application for optical sensing are reported in this paper for the case of the Vertical-Cavity Semiconductor Optical Amplifier (VCSOA). When using a VCSOA, the input power needed for the appearance of optical bistability is one order of magnitude lower than that needed in edge-emitting devices. This feature, added to the low manufacturing costs of VCSOAs and the ease to integrate them in 2-D arrays, makes the VCSOA a very promising device for its potential use in optical sensing applications.

Low-power vertical cavity NAND gate

The study of the Vertical-Cavity Semiconductor Optical Amplifiers (VCSOAs) for optical signal processing applications is increasing his interest. Due to their particular structure, the VCSOAs present some advantages when compared to their edge-emitting counterparts including low manufacturing costs, high coupling efficiency to optical fibers and the ease to fabricate 2-D arrays of this kind of devices. As a consequence, all-optical logic gates based on VCSOAs may be very promising devices for their use in optical computing and optical switching in communications. Moreover, since all the boolean logic functions can be implemented by combining NAND logic gates, the development of a Vertical-Cavity NAND gate would be of particular interest. In this paper, the characteristics of the dispersive optical bistability appearing on a VCSOA operated in reflection are studied. A progressive increment of the number of layers compounding the top Distributed Bragg Reflector (DBR) of the VCSOA results on a change on the shape of the appearing bistability from an S-shape to a clockwise bistable loop. This resulting clockwise bistability has high on-off contrast ratio and input power requirements one order of magnitude lower than those needed for edge-emitting devices. Based on these results, an all-optical vertical-cavity NAND gate with high on-off contrast ratio and an input power for operation of only 10|i\V will be reported in this paper.