Long rectangle resonator 1550 nm AlGaInAs/InP lasers

1550 nm AlGaInAs/InP long rectangle resonator lasers with three sides surrounded by SiO2 and p electrode layers are fabricated by planar technology, and room-temperature continuous-wave lasing is realized for a laser with a length of 53 mu m and a width of 2 mu m. Multiple peaks with wavelength intervals of Fabry-Perot mode intervals and mode Q factors of about 400 and a lasing mode with a Q factor over 8000 are observed from the lasing spectrum at threshold current. The numerical results of the FDTD simulation indicate that the lasing mode may be a whispering-gallery mode, which is a coupled mode of two high-order transverse modes of the waveguide.

Optical modulator based on a Si0.75Ge0.25/Si/Si0.5Ge0.5 asymmetric superlattice structure

An optical modulator is designed and fabricated based on a Si0.75Ge0.25/Si/Si0.5Ge0.5 asymmetrical superlattice structure. The device comprises a p-i-n diode made on the asymmetrical superlattice integrated with a 920-mu m-long Fabry-Perot (F-P) cavity. Parameters of the rib waveguide are designed to satisfy only the fundamental-TE mode transmission. Here, 65 and 40-pm red shifts of the peak resonant were measured under the applied bias of 2.5 and -32.0 V, respectively. The analysis shows that, besides the thermal-optical and plasma dispersion effects, the Pockels effect also contributes to such a peak shift. The corresponding calculated effective Pockels coefficient is about 0.158 pm/V.

Equilateral-Triangle and Square Resonator Semiconductor Microlasers

The characteristics of equilateral-triangle resonator (ETR) and square resonator microlasers are reported, which are potential light sources in the photonic integrations. Based on the numerical simulations, we find that high-efficiency directional emission can be achieved for the triangle and square microlasers by directly connecting an output waveguide to the resonators. The electrically injected InP/InGaAsP ETR and square resonator microlasers with a 2-mu m-wide output waveguide were fabricated by standard photolithography and inductively coupled plasma etching techniques. Room-temperature continuous-wave (CW) operations were achieved for the ETR microlasers with the side length from 10 to 30 mu m and the square resonator microlasers with the side length of 20 mu m. The output power versus CW injection current and the laser spectra are presented for an ETR microlaser up to 310 K and a square resonator microlaser to 305 K. The lasing spectra with mode wavelength intervals as that of whispering-gallery-type modes and Fabry-Perot modes are observed for two square lasers, which can lase at low temperature and room temperature, respectively.

Measurement of small-signal and large-signal responses of packaged laser modules at high temperature

In this paper, the pulsed injection method is extended to measure the chip temperature of various packaged laser modules, such as the DFB laser modules, the FP laser modules, and the EML laser modules. An optimal injection condition is obtained by investigating the dependence of the lasing wavelength on the width and period of the injection pulse in a relatively wide temperature range. The small-signal frequency responses and large-signal performances of packaged laser modules at different chip temperature are measured. The adiabatic small-signal modulation characteristics of packaged LD are first extracted. In the large-signal measurement, the effects of chip temperature, bias current and driving signal on the performances of the laser modules are discussed. It has been found that the large-signal performances of the EML modules depend on the different red-shift speeds of the DFB and EAM sections as chip temperature varying, and the optimal characteristics may be achieved at higher temperature.

Measurement of gain spectrum for semiconductor lasers utilizing integrations of product of emission spectrum and a phase function over one mode interval

A technique based on the integrations of the product of amplified spontaneous emission spectrum and a phase function over one mode interval is proposed for measuring gain spectrum for Fabry-Perot semiconductor lasers, and a gain correction factor related to the response function of the optical spectrum analyzer (OSA) is obtained for improving the accuracy of measured gain spectrum. The gain spectra with a difference less than 1.3 cm(-1) from 1500 to 1600 nm are obtained for a 250-mum-long semiconductor laser at the OSA resolution of 0.06, 0.1, 0.2, and 0.5 nm. The corresponding gain correction factor is about 9 cm(-1) at the resolution of 0.5 nm. The gain spectrum measured at the resolution of 0.5 nm has the same accuracy as that obtained by the Hakki-Paoli method at the resolution of 0.06 nm for the laser with the mode interval of 1.3 nm.

Fabrication and characterization of TO packaged high-speed laser modules - art. no. 682407

Various high-speed laser modules are fabricated by TO-Packaged processes, such as FP laser modules, DFB laser modules, and VCSEL modules. Furthermore,, the resonance among the circuit elements provides an approach to compensating the TO packaging parasitics, and improving the frequency response of the devices. The detailed equivalent circuit model is established to investigate both the laser diode and packaging comprehensively. The small-signal modulation bandwidths of the TO packaged FP laser, DFB laser and the VCSEL modules are more than 10, 9.7 and 8 GHz, respectively.

MEASUREMENT AND SIMULATION OF THE TURN-ON DELAY TIME JITTER IN GAIN-SWITCHED SEMICONDUCTOR-LASERS

The turn-on delay time jitter of four different unbiased gain-switched laser types is determined by measuring the temporal probability distribution of the leading edge of the emitted optical pulse. One single-mode 1.5-mu-m distributed feed-back laser and three multimode Fabry-Perot lasers emitting at 750 nm and 1.3-mu-m are investigated. The jitter is found to decrease for all lasers with increasing injection current. For multimode lasers it decreases from 8 ps excited slightly above threshold down to below 2 ps at three times the threshold current. The jitter of the distributed feedback (DFB) laser is a factor of 3-5 larger than the jitter of the three multimode lasers. A new model to predict the turn-on delay time jitter is presented and explains the experiments quantitatively.

Influence of a tilted cavity on quantum-dot optoelectronic active devices

Quantum-dot laser diodes (QD-LDs) with a Fabry-Perot cavity and quantum-dot semiconductor optical amplifiers (QD-SOAs) with 7° tilted cavity were fabricated. The influence of a tilted cavity on optoelectronic active devices was also investigated. For the QD-LD, high performance was observed at room temperature. The threshold current was below 30 mA and the slope efficiency was 0.36 W/A. In contrast, the threshold current of the QD-SOA approached 1000 mA, which indicated that low facet reflectivity was obtained due to the tilted cavity design.A much more inverted carrier population was found in the QD-SOA active region at high operating current, thus offering a large optical gain and preserving the advantages of quantum dots in optical amplification and processing applications. Due to the inhomogeneity and excited state transition of quantum dots, the full width at half maximum of the electroluminescence spectrum of the QD-SOA was 81.6 nm at the injection current of 120 mA, which was ideal for broad bandwidth application in a wavelength division multiplexing system. In addition, there was more than one lasing peak in the lasing spectra of both devices and the separation of these peak positions was 6-8 nm,which is approximately equal to the homogeneous broadening of quantum dots.

Eigenmode confinement in semiconductor microcavity lasers with an equilateral triangle resonator

We analyze the mode behaviors for semiconductor lasers with an equilateral triangle resonator by deriving the mode field distribution and the eigenvalue equation. The eigenvalue equation shows that the longitudinal mode wavelength interval is equivalent to that of a Fabry-Perot cavity with the cavity length of 1.5a, where a is the side length of the equilateral triangle resonator. The transverse waveguiding is equivalent to as a strip waveguide with the width of root 3a/ 2, and the number of transverse modes supported by the resonator is limited by the total reflection condition on the sides of the equilateral triangle. Semiconductor microcavity laser with an equilateral triangle resonator is suitable to realize single mode operation, and the mode wavelength can be adjusted by changing the side length.

High Characteristic Temperature InGaAsP/InP Tunnel Injection Multiple-Quantum-Well Lasers

We fabricate 1.5 mu m InGaAsP/InP tunnel injection multiple-quantum-well (TI-MQW) Fabry-Perot (F-P) ridge lasers. The laser heterostructures, including an inner cladding layer and an InP tunnel barrier layer, are grown by metal-organic chemical-vapor deposition (MOCVD). Characteristic temperature.. 0 of 160K at 20 degrees C is obtained for 500-mu m-long lasers. T-0 is measured as high as 88K in the temperature range of 15-75 degrees C. Cavity length dependence of T-0 is investigated.

Híbridos orgânicos-inorgânicos para aplicações de baixo custo em óptica integrada

O objectivo desta tese é a utilização de materiais híbridos orgânicos-inorgânicos, designados por di-ureiasis modificados pela adição de tetra-propóxido de zircónio (Zr(i-OPr)4) estabilizado com ácido metacrílico (CH2=C(CH3)COOH), obtidos pela via sol-gel, para aplicações em dispositivos ópticos integrados de baixo custo. A estrutura local dos di-ureiasis com diferentes concentrações de propóxido de zircónio (20 a 80 % mol) foi estudada por difracção de raios-X, espalhamento de raios X a baixos ângulos, microscopia de força atómica, ressonância magnética nuclear dos núcleos dos átomos de 29Si e 13C, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia de Raman por transformada de Fourier e termogravimetria. A influência dos parâmetros de síntese, concentração de tetra propóxido de zircónio e rácio tetra propóxido de zircónio: ácido metacrilico na estrutura e propriedades das amostras em monólito e filmes finos (depositados pela técnica de deposição por rotação do substrato) foram avaliadas, permitindo obter amostras transparentes, fotopolimerizáveis e estáveis termicamente até aos 100 ºC. Foram determinadas as propriedades dos guias planares em substratos de vidro borosilicato e silício oxidado (1laser directa permitiu a gravação de dispositivos para óptica integrada de que são exemplos: guias de onda em canal com diâmetros modais de 2,5 μm (monomodo) e de 15-20 μm (multimodo) e contraste de valor do índice de refracção de 2x10-3; divisores de potência óptica com geometria em Y com rácios de divisão de ~50:50; filtros ópticos baseados em redes de Bragg com valores de rejeição do sinal óptico de 10 dB (monólitos) e 24 dB (filmes finos); cavidades ópticas do tipo Fabry-Perot com valores de rejeição de ~5 dB e gama espectral livre de 16,5 e 35,5 GHz. A actuação termo-óptica de uma estrutura do tipo Mach-Zhender simétrica conduziu a uma atenuação do sinal óptico de 7,5 dB.

Brillouin spectroscopy : measurement of elastic and photoelastic constants of some alkali holide crystals

The assembly and testing of apparatus for the measurement of elastic and photoelastic constants by Brillouin scattering, using a Fabry-Perot interferometer and with argon ion laser excitation is described. Such measurements are performed on NaCI, KBr and LiF using the A = 488.0 nm laser line. The elastic constants obtained here are in very good agreement with the ultrasonic data for all three materials. The discrepancy between ultrasonic and hypersonic sound velocities which was reported by some authors for KBr and LiF is not confirmed, and the elastic constants obtained for LiF are the most accurate to date. Also, the present photoelastic constants are in good agreement with the data obtained by ultrasonic techniques for all three crystals. The results for the KBr and LiF crystals constitute the first set of photoelastic constants obtained for these materials by Brillouin spectroscopy. Our results for LiF are the best available to date.

Nonlinear Dynamics of Multiple Quantum Well Lasers: Chaos and Multistability

This thesis presents analytical and numerical results from studies based on the multiple quantum well laser rate equation model. We address the problem of controlling chaos produced by direct modulation of laser diodes. We consider the delay feedback control methods for this purpose and study their performance using numerical simulation. Besides the control of chaos, control of other nonlinear effects such as quasiperiodicity and bistability using delay feedback methods are also investigated.A number of secure communication schemes based on synchronization of chaos semiconductor lasers have been successfully demonstrated theoretically and experimentally. The current investigations in these field include the study of practical issues on the implementations of such encryption schemes. We theoretically study the issues such as channel delay, phase mismatch and frequency detuning on the synchronization of chaos in directly modulated laser diodes. It would be helpful for designing and implementing chaotic encryption schemes using synchronization of chaos in modulated semiconductor lasers.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.