Si-based resonant-cavity-enhanced photodetector

Resonant-cavity-enhanced (RCE) photodetectors have been demonstrated to be able to improve the bandwidth-efficiency product. We report one top-illumination and one bottom-illumination SiGe/Si multiple quantum-well (MQW) RCE photodetectors fabricated on a separation-by-implanted-oxygen (SIMOX) wafer operating near 1300nm, The buried oxide layer in SIMOX is used as a mirror to form a vertical cavity with the silicon dioxide/silicon Bragg reflector deposited on the top surface. A peak responsivity with a reverse bias of 5V is measured 10.2mA/W at 1285nm, and a full-width at half maximum of 25nm for the top-illumination RCE photodetector, and 19mA/W at 1305nm, and a full-width at half maximum of 14nm for the bottom-illumination one. The external quantum efficiency of the bottom-illumination RCE photodetector is up to 2.9% at 1305nm with a reverse bias of 25V. The responsivity of the bottom-illumination RCE photodetector is improved by two-fold compared with that of the top-illumination one.

The operation of multiquantum-well barriers

The multiquantum barrier (MQB), proposed by Iga et al in 1986, has been shown by several researchers to be an effective structure for improving the operating characteristics of laser diodes. These improvements include a reduction in the laser threshold current and increased characteristic temperatures. The operation of the MQB has been described as providing an increased barrier to electron overflow by reflecting high energy electrons trying to escape from the active region of the laser.This is achieved in a manner analogous to a Bragg reflector in optics. This thesis presents an investigation of the effectiveness of the MQB as an electron reflector. Numerical models have been developed for calculating the electron reflection due to MQB. Novel optical and electrical characterisation techniques have been used to try to measure an increase in barrier height due to the MQB in AlGaInP.It has been shown that the inclusion of MQB structures in bulk double heterostructure visible laser diodes can halve the threshold current above room temperature and the characteristic temperature of these lasers can be increased by up to 20K.These improvements are shown to occur in visible laser diodes even with the inclusion of theoretically ineffective MQB structures, hence the observed improvement in the characteristics of the laser diodes described above cannot be uniquely attributed to an increased barrier height due to enhance electron reflection. It is proposed here that the MQB improves the performance of laser diodes by proventing the diffusion of zinc into the active region of the laser. It is also proposed that the trapped zinc in the MQB region of the laser diode locally increases the p-type doping bringing the quasi-Fermi level for holes closer to the valence band edge thus increasing the barrier to electron overflow in the conduction band.

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.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

1.2-μm semiconductor disk laser frequency doubled with periodically poled lithium tantalate crystal

In this letter, we demonstrate an optically pumped semiconductor disk laser frequency doubled with a periodically poled lithium tantalate crystal. Crystals with various lengths were tested for intracavity frequency conversion. The semiconductor disk laser exploited GaInNAs-based active region with GaAsAlAs distributed Bragg mirror to produce emission at 1.2- μm wavelength. The frequency doubled power up to 760 mW at the wavelength of 610 nm was achieved with a 2-mm-long crystal. © 2010 IEEE.

Study of a novel type of the optical modes in VCSELs

We study novel side-emitting modes in VCSEL microcavities. These modes correspond to π-shaped propagation along the mesa diameter, reflection from angled mesa walls and bottom Bragg reflector. We believe this study of π-modes is important for optimization of VCSEL design for improvement of efficiency.

High coupling in novel 2D-lattice distributed reflector laser gratings

It is shown that 2D lattice gratings, despite being placed outside the waveguide region, exhibit sufficiently strong coupling coefficients that optical modes rapidly couple transversely into the etched grating region, yielding high coupling coefficients of 270cm-1. This performance allows mode-hop-free lasing operation in DBR structures.

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.

Distributed temperature sensing using a chirped fibre Bragg grating

A fully distributed temperature sensor consisting of a chirped fibre Bragg grating has been demonstrated. By fitting a numerical model of the grating response including temperature change, position and width of localized heating applied to the grating, we achieve measurements of these parameters to within 2.2 K, 149 µm and 306 µm of applied values, respectively. Assuming that deviation from linearity is accounted for in making measurement, much higher precision is achievable and the standard deviations for these measurements are 0.6 K, 28.5 µm and 56.0 µm, respectively.