Design of surface emitting distributed feedback quantum cascade laser with single-lobe far-field pattern and high outcoupling efficiency

A 7.8-mu m surface emitting second-order distributed feedback quantum cascade laser (DFB QCL) structure with metallized surface grating is studied. The modal property of this structure is described by utilizing coupled-mode theory where the coupling coefficients are derived from exact Floquet-Bloch solutions of infinite periodic structure. Based on this theory, the influence of waveguide structure and grating topography as well as device length on the laser performance is numerically investigated. The optimized surface emitting second-order DFB QCL structure design exhibits a high surface outcoupling efficiency of 22% and a low threshold gain of 10 cm(-1). Using a pi phase-shift in the centre of the grating, a high-quality single-lobe far-field radiation pattern is obtained.

A Single Mode 980nm InGaAs/GaAs/AlGaAs Large Optical Cavity Quantum Well Laser with Low Vertical Divergence Angle

To achieve high optical power as well as low vertical divergence angle, a new kind of optimized large optical cavity (LOC) structure is applied to a ridge waveguide 980nm InGaAs/GaAs/AlGaAs multi-quantum well laser. The optical power density in the waveguide is successfully reduced. The maximum output power is more than 400mW with a slope efficiency of 0.89W/A and the far-field vertical divergence angle is lowered to 23°.

Surface Emitting Distributed Feedback Quantum Cascade Laser around 8.3 mu m

We demonstrate surface emitting distributed feedback quantum cascade lasers emitting at wavelengths from 8.1 mu m at 90 K to 8.4 mu m at 210 K. The second-order metalized grating is carefully designed using a modified coupled-mode theory and fabricated by contact lithography. The devices show single mode behavior with a side mode suppression ratio above 18 dB at all working temperatures. At 90 K, the device emits an optical power of 101 mW from the surface and 199 mW from the edge. In addition, a double-lobe far-field pattern with a separation of 2.2 degrees is obtained in the direction along the waveguide.

Passively modelocked VECSEL using a single-layer graphene saturable absorber mirror

Optically pumped ultrafast vertical external cavity surface emitting lasers (VECSELs), also referred to as semiconductor disk lasers (SDLs), are very attractive sources for ps- and fs-pulses in the near infrared [1]. So far VECSELs have been passively modelocked with semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs, [2]). Graphene has emerged as a promising saturable absorber (SA) for a variety of applications [3-5], since it offers an almost unlimited bandwidth and a fast recovery time [3-5]. A number of different laser types and gain materials have been modelocked with graphene SAs [3-4], including fiber [5] and solid-state bulk lasers [6-7]. Ultrafast VECSELs are based on a high-Q cavity, which requires very low-loss SAs compared to other lasers (e.g., fiber lasers). Here we develop a single-layer graphene saturable absorber mirror (GSAM) and use it to passively modelock a VECSEL. © 2013 IEEE.

Influence of fused interface on the optical and thermal characteristics of vertical cavity lasers

From the effective absorption coefficient of bonded interface and the relationship of interface to reflectivity at cavity mode for double bonded vertical cavity laser, it can be seen that bonded interfaces should be positioned at the null of standing wave distribution, and the thickness of interface should be less than 20 nm. Using the finite elements method, the temperature contour map of laser can be calculated. Results showed that the influence of thin interface to thermal characteristics of VCSELS is slight, while thick interface will lead to temperature increase of active region. SEM images demonstrate that hydrophobic bonding is suitable for the fabrication of the device, while hydrophilic bonding interface is unfavorable to optical and thermal properties of devices with interface thickness larger than 40 nm.

Design of two-dimensional photonic crystal edge emitting laser for photonic integrated circuits

An edge emitting laser based on two-dimensional photonic crystal slabs is proposed. The device consists of a square lattice microcavity, which is composed of two structures with the same period but different radius of air-holes, and a waveguide. In the cavity, laser resonance in the inner structure benelits from not only the anomalous dispersion characteristic of the first band-edge at the M point in the first Brillouin-zone but also zero photon states in the outer structure. A line defect waveguide is introduced in the outer structure for extracting photons from the inner cavity. Three-dimensional finite-difference time-domain simulations apparently show the in-plane laser output from the waveguide. The microcavity has an effective mode volume of about 3.2(lambda/eta(slab))(3) for oscillation -mode and the quality factor of the device including line defect waveguide is estimated to be as high as 1300.

A 1.3μm Low-Threshold Edge-Emitting Laser with AlInAs-Oxide Confinement Layers

A 1.3μm low-threshold edge-emitting AlGaInAs multiple-quantum-well(MQW) laser with AlInAs-oxide confinement layers is fabricated.The Al-contained waveguide layers upper and low the active layers are oxidized as current-confined layers using wet-oxidation technique.This structure provides excellent current and optical confinement,resulting in 12.9mA of a low continuous wave threshold current and 0.47W/A of a high slope efficiency of per facet at room temperature for a 5-μm-wide current aperture.Compared with the ridge waveguide laser with the same-width ridge,the threshold current of the AlInAs-oxide confinement laser has decreased by 31.7% and the slope efficiency has increased a little.Both low threshold and high slope efficiency indicate that lateral current confinement can be realized by oxidizing AlInAs waveguide layers.The full width of half maximum angles of the Al-InAs-oxide confinement laser are 21.6° for the horizontal and 36.1° for the vertical,which demonstrate the ability of the AlInAs oxide in preventing the optical field from spreading laterally.

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.

Influence of dentin cavity surface finishing on micro-tensile bond strength of adhesives

The current trend toward minimal-invasive dentistry has introduced innovative techniques for cavity preparation. Chemical vapor deposition (CVD) and laser-irradiation technology have been employed as an alternative to the common use of regular burs in high-speed turbines. Objectives. The purpose of this study was to assess the influence of alternative techniques for cavity preparation on the bonding effectiveness of different adhesives to dentin, and to evaluate the morphological characteristics of dentin prepared with those techniques. Methods. One etch&rinse adhesive (OptiBond FL, Kerr) and three self-etch systems (Adper Prompt L-Pop, 3M ESPE; Clearfil SE Bond, Kuraray; Clearfil S3 Bond, Kuraray) were applied on dentin prepared with a regular bur in a turbine, with a CVD bur in a turbine, with a CVD tip in ultrasound and with an ErCr:YSGG laser. The micro-tensile bond strength (mu TBS) was determined after storage in water for 24 h at 37 degrees C, and morphological evaluation was performed by means of field -emission -gun scanning electron microscopy (Feg-SEM). Results. Feg-SEM evaluation revealed different morphological features on the dentin surface after the usage of both the conventional and alternative techniques for cavity preparation, more specifically regarding smear-layer thickness and surface roughness. CVD bur-cut, CVD ultra-sonoabraded and laser-irradiated dentin resulted in lower mu TBSs than conventionally bur-cut dentin, irrespective of the adhesive employed. Significance. The techniques, such as CVD diamond-bur cutting, CVD diamond ultra-sonoabrasion and laser-irradiation, used for cavity preparation may affect the bonding effectiveness of adhesives to dentin, irrespective of their acidity or approach. (C) 2007 Academy of Dental Materials. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.

Self-mode-locked semiconductor disk lasers

In the last decade, vertical-external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs) have become promising sources of ultrashort laser pulses. While the mode-locked operation has been strongly relying on costly semiconductor saturable-Absorber mirrors for many years, new techniques have been found for pulse formation. Mode-locking VECSELs are nowadays not only achievable by using a variety of saturable absorbers, but also by using a saturable-Absorber-free technique referred to as self-mode-locking (SML), which is to be highlighted here.