Zogal, Karolina Hanna (2017)
MEMS weit abstimmbare VCSEL bei 1,55μm und 1,95μm.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der vorliegenden Arbeit werden der Entwurf, die Technologie sowie eine umfassende Charakterisierung von mikroelektromechanisch weit abstimmbaren Oberflächen-emittierendenLaserdiodenmitVertikalresonator(engl.micro-electro-mechanical system vertical-cavity surface-emitting laser, MEMS-VCSEL) vorgestellt. Die Laser werden in Wellenlängenbereichen um 1550nm und 1950nm realisiert. Dank der vielen Vorteile wie die hochfrequente direkte Modulierbarkeit, exzellente Strahleigenschaften, Energieeffizienz, Zuverlässigkeit, Kompaktheit sind VCSEL heute in vielen Bereichen der faseroptischen Kommunikation präsent. Eine kontinuierliche und weite Abstimmung der Emissionswellenlänge (einige 10nm ) ist eine essentielle Eigenschaft für Telekommunikationsnetzwerke der Zukunft. Darüber hinaus sind weit und kontinuierlich abstimmbare Laserdioden für viele Sensoranwendungen, insbesondere für die Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Laserdioden (engl. tunable diode laser absorption spectrocsopy, TDLAS) von großem Interesse. TDLAS wird u.a. zur Messung der Emission von Treibhausgasen oder für die Überwachung von Verbrennungsprozessen verwendet. Mit dem Einsatz von MEMS-VCSEL können kompakte, kostengünstige und für simultane Detektion mehrerer Gase taugliche Gassensoren realisiert werden. Auf Grund der vorteilhaften vertikalen Ausrichtung des VCSEL-Resonators kann einer der beiden flachen Resonatorspiegel durch einen auslenkbaren Spiegel ersetzt werden. Hierzu bietet sich die etablierte, kostengünstige MEMS-Technologie an, welche in dieser Arbeit sowohl in Volumen, für 1550nm -, als auch erstmalig in Oberflächen-Mikromechanik, für 1950nm -langwellige VCSEL realisiert wird. Der MEMS-Spiegel wird mit nur einer Steuergröße elektrothermisch ausgelenkt. Dies resultiert in einer kontinuierlichen Abstimmung der Emissionswellenlänge. Im Rahmen dieser Arbeit werden erstmalig dynamische Eigenschaften direkt modulierbarer wellenlängenabstimmbarer MEMS-VCSEL im Wellenlängenbereich um 1550nm untersucht. Eine rekordhohe Amplitudenmodulationsbandbreite von f 3dB = 9GHz wird demonstriert, ebenfalls wie die quasi-fehlerfreie Übertragung mit der höchsten bisher publizierten Übertragungsrate von 12Gbit/s für abstimmbare VCSEL, welche hier sowohl in einem back-to-back Verfahren als auch über eine Faserstrecke der Länge von 6,3km erzielt werden. In einem weiten Abstimmbereich von 1530nm – 1580nm , welcher das komplette C-Band ( 1530nm – 1565nm ) abdeckt, wird eine quasi-fehlerfreie Übertragung bei einer Datenrate von ≥ 10Gbit/s demonstriert. Weitere und bisher unübertroffene Merkmale der hier entwickelten MEMS-VCSEL sind die hohe monomodale Ausgangsleistung von bis zu 4mW sowie eine exzellente spektrale Reinheit, welche durch eine hohe Nebenmodenunterdrückung mit einem Spitzenwert von SMSR = 64dB sowie mit SMSR > 57dB innerhalb des gesamten Abstimmbereichs gekennzeichnet ist. Eine schmale spektrale Linienbreite von ∆ν = 27MHz wird ebenfalls erstmals für einen MEMS-VCSEL nachgewiesen. Wegen der zylindrischen Geometrie des VCSEL-Resonators ist die Polarisation grundsätzlich nicht stabil in VCSEL und kann sich z.B. bei der Abstimmung der Wellenlänge oder bei der Änderung des Laserstroms umschalten. Durch Einschreiben eines optischen Gitters mit Abmessung im Sub-Wellenlängenbereich auf der Oberfläche der Spiegelmembran, können polarisationsabhängige Verluste in den DBR-Spiegel eingebaut werden. Eine in einem weiten Abstimmbereich und in dem gesamten Strombereich des Lasers polarisationsstabile Lichtemission wird demonstriert. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung weit abstimmbarer, auf Oberflächen-Mikromechanik basierenden MEMS-VCSEL für Sensoranwendungen (TDLAS), erstmalig in einem Wellenlängenbereich um 1950nm. Bei höheren Wellenlängen weisen Gase stärkere Absorptionskennlinien auf, womit die Detektion deutlich geringerer Gaskonzentrationen möglich wird. Die hier vorgestellten MEMS-VCSEL sind durch eine kontinuierliche und mit 120Hz schneller Wellenlängenabstimmung von > 90nm und durch eine in dem gesamten Abstimmbereich hohe Ausgangsleistung von > 0,5mW sowie eine hohe Nebenmodenunterdrückung von SMSR = 64dB gekennzeichnet. Spitzenleistungen von > 3,9mW bei Raum- sowie > 0,5mW bei höheren Temperaturen von 77°C können ebenfalls gezeigt werden. Eine rekordhohe Betriebstemperatur von 90°C mit > 0,2mW Ausgangsleistung wird erstmalig für einen MEMS-abstimmbaren VCSEL demonstriert. Solch hohe Betriebstemperaturen erreichen heute ausschließlich nicht abstimmbare VCSEL. Darüber hinaus ist für einen kommerziellen Gebrauch der MEMS-VCSEL, wo eine langzeitstabile, zuverlässige und von der Umgebung unbeeinflusste Funktion erforderlich ist, ein geschlossenes und robustes Gehäuse erforderlich. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte hermetisch geschlossene Gehäuse mit einem optischen Anschluss kann dem mit einer Langzeitmessung belegten Drift der Wellenlänge positiv entgegenwirken. Das Gehäuse unterbindet störende Effekte wie optisches Feedback, Einwirkungen der Luftzirkulation, der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit.

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