Effect of multiple transverse modes in self-mixing sensors based on vertical-cavity surface-emitting lasers

We investigate the effect of coexisting transverse modes on the operation of self-mixing sensors based on vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). The effect of multiple transverse modes on the measurement of displacement and distance were examined by simulation and in laboratory experiment. The simulation model shows that the periodic change in the shape and magnitude of the self-mixing signal with modulation current can be properly explained by the different frequency-modulation coefficients of the respective transverse modes in VCSELs. The simulation results are in excellent agreement with measurements performed on single-mode and multimode VCSELs and on self-mixing sensors based on these VCSELs.

Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices

We present models for the optical functions of 11 metals used as mirrors and contacts in optoelectronic and optical devices: noble metals (Ag, Au, Cu), aluminum, beryllium, and transition metals (Cr, Ni, Pd, Pt, Ti, W). We used two simple phenomenological models, the Lorentz-Drude (LD) and the Brendel-Bormann (BB), to interpret both the free-electron and the interband parts of the dielectric response of metals in a wide spectral range from 0.1 to 6 eV. Our results show that the BE model was needed to describe appropriately the interband absorption in noble metals, while for Al, Be, and the transition metals both models exhibit good agreement with the experimental data. A comparison with measurements on surface normal structures confirmed that the reflectance and the phase change on reflection from semiconductor-metal interfaces (including the case of metallic multilayers) can be accurately described by use of the proposed models for the optical functions of metallic films and the matrix method for multilayer calculations. (C) 1998 Optical Society of America.

Design of microchannel free-space optical interconnects based on vertical-cavity surface-emitting laser arrays

We investigate the design of free-space optical interconnects (FSOIs) based on arrays of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), microlenses, and photodetectors. We explain the effect of the modal structure of a multimodeVCSEL beam on the performance of a FSOI with microchannel architecture. A Gaussian-beam diffraction model is used in combination with the experimentally obtained spectrally resolved VCSEL beam profiles to determine the optical channel crosstalk and the signal-to-noise ratio (SNR) in the system. The dependence of the SNR on the feature parameters of a FSOI is investigated. We found that the presence of higher-order modes reduces the SNR and the maximum feasible interconnect distance. We also found that the positioning of a VCSEL array relative to the transmitter microlens has a significant impact on the SNR and the maximum feasible interconnect distance. Our analysis shows that the departure from the traditional confocal system yields several advantages including the extended interconnect distance and/or improved SNR. The results show that FSOIs based on multimode VCSELs can be efficiently utilized in both chip-level and board-level interconnects. (C) 2002 Optical Society of America.

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.

Design and Fabrication of Perovskite Micro-Cavity Lasers

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Pulse shortening of gain switched single mode semiconductor lasers using a variable delay interferometer

We propose a pulse shaping and shortening technique for pulses generated from gain switched single mode semiconductor lasers, based on a Mach Zehnder interferometer with variable delay. The spectral and temporal characteristics of the pulses obtained with the proposed technique are investigated with numerical simulations. Experiments are performed with a Distributed Feedback laser and a Vertical Cavity Surface Emitting Laser, emitting at 1.5 µm, obtaining pulse duration reduction of 25-30%. The main asset of the proposed technique is that it can be applied to different devices and pulses, taking advantage of the flexibility of the gain switching technique.

Lasers - An effective artificial source of radiation for the cultivation of anoxygenic photosynthetic bacteria

The laser diode (LD) is a unique light source that can efficiently produce all radiant energy within the narrow wavelength range used most effectively by a photosynthetic microorganism. We have investigated the use of a single type of LID for the cultivation of the well-studied anoxygenic photosynthetic bacterium, Rhodobacter capsulatus (Rb. capsulatus). An array of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) was driven with a current of 25 mA, and delivered radiation at 860 nm with 0.4 nm linewidth. The emitted light was found to be a suitable source of radiant energy for the cultivation of Rb. capsulatus. The dependence of growth rate on incident irradiance was quantified. Despite the unusual nearly monochromatic light source used in these experiments, no significant changes in the pigment composition and in the distribution of bacteriochlorophyll between LHII and LHI-RC were detected in bacterial cells transferred from incandescent light to laser light. We were also able to show that to achieve a given growth rate in a light-limited culture, the VCSEL required only 30% of the electricity needed by an incandescent bulb, which is of great significance for the potential use of laser-devices in biotechnological applications and photobioreactor construction. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

Modeling diffraction in free-space optical interconnects by the mode expansion method

Free-space optical interconnects (FSOIs), made up of dense arrays of vertical-cavity surface-emitting lasers, photodetectors and microlenses can be used for implementing high-speed and high-density communication links, and hence replace the inferior electrical interconnects. A major concern in the design of FSOIs is minimization of the optical channel cross talk arising from laser beam diffraction. In this article we introduce modifications to the mode expansion method of Tanaka et al. [IEEE Trans. Microwave Theory Tech. MTT-20, 749 (1972)] to make it an efficient tool for modelling and design of FSOIs in the presence of diffraction. We demonstrate that our modified mode expansion method has accuracy similar to the exact solution of the Huygens-Kirchhoff diffraction integral in cases of both weak and strong beam clipping, and that it is much more accurate than the existing approximations. The strength of the method is twofold: first, it is applicable in the region of pronounced diffraction (strong beam clipping) where all other approximations fail and, second, unlike the exact-solution method, it can be efficiently used for modelling diffraction on multiple apertures. These features make the mode expansion method useful for design and optimization of free-space architectures containing multiple optical elements inclusive of optical interconnects and optical clock distribution systems. (C) 2003 Optical Society of America.

Slow dynamis in the 3D gonihedric model

We provide analytical evidence of stochastic resonance in polarization switching vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). We describe the VCSEL by a two-mode stochastic rate equation model and apply a multiple time-scale analysis. We were able to reduce the dynamical description to a single stochastic differential equation, which is the starting point of the analytical study of stochastic resonance. We confront our results with numerical simulations on the original rate equations, validating the use of a multiple time-scale analysis on stochastic equations as an analytical tool.