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Main Title: Tunable lasers on a polymer-based hybrid photonic integration platform
Translated Title: Abstimmbare Laser auf einer polymerbasierten hybriden photonischen Integrationsplattform
Author(s): de Felipe Mesquida, David
Advisor(s): Petermann, Klaus
Referee(s): Petermann, Klaus
Schell, Martin
Küppers, Franko
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Durchstimmbare Halbleiterlaser als miniaturisierte optische Quellen mit der Fähigkeit bei verschiedenen Wellenlängen zu emittieren sind Schlüsselelemente in diversen Anwendungen, von Telekommunikation bis Sensorik. Viele Ansätze wurden in der Literatur untersucht um integrierte Lösungen anzubieten, die sowohl ihre Miniaturisierung als auch ihre Kointegration mit anderen optischen Funktionalitäten in photonischen integrierten Schaltkreisen ermöglichen. Diese integrierten Elemente beruhen typischerweise auf einer kontrollierten Änderung des Brechungsindizes der abstimmbaren Abschnitte durch Ladungsträgerinjektion oder dem thermo-optischen Effekt. Eine weitere Methode ist die Veränderung der physikalischen Länge des Resonators unter Verwendung mikromechanischer Systeme. In dieser Arbeit wird die Implementierung von im C-band durchstimmbaren Lasern auf der Grundlage eines hybriden photonischen Integrationsansatzes untersucht, der aktive Abschnitte auf InP-Basis und thermooptisch abstimmbare Strukturen auf Polymerbasis kombiniert. Wellenleiter auf Polymerbasis ermöglichen die Implementierung hocheffizienter, abstimmbarer, wellenlängenselektiver Filter und Reflektoren, die die positiven Eigenschaften der Polymermaterialien wie ihren großen thermo-optischen Koeffizienten und ihre geringe Wärmeleitfähigkeit nutzen. Die betrachtete Implementierung ist ein Distributed Bragg Reflector (DBR)-Laser, und es werden Durchstimmbarkeiten von 20 nm demonstriert. Die Designstrategien des DBR-Lasers werden untersucht, um entweder seine Hochgeschwindigkeitsmodulationseigenschaften, seine Linienbreite oder die maximal erreichbare kontinuierliche Abstimmung zu optimieren. Eine erste Design-Implementierung für die Hochgeschwindigkeitsmodulation zeigt eine Modulationsbandbreite von 8.6 GHz und Ausgangsleistungen von mehr als 9.5 dBm. Ein zweites Device, welches auf schmale Linienbreiten ausgerichtet ist, zeigt Linienbreitenwerte bis zu 130 kHz und Ausgangsleistungen von 8.45 dBm. Ein drittes Design, das auf maximal erreichbare kontinuierliche Durchstimmbarkeit abzielt, zeigt die Möglichkeit einer Durchstimmung von 9 nm ohne Modensprung. Auch die Aspekte der Wellenlängeneinstellung und -stabilisierung werden behandelt, was zeigt, dass Wellenlängenstabilisierungsgenauigkeiten von ± 2.5 GHz erreicht werden können. Zusätzlich werden erste Zuverlässigkeitstests vorgestellt, die die potenzielle Langzeitzuverlässigkeit von Abstimmbereichen von 20 nm zeigen. Schließlich wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen abstimmbaren Laserimplementierung in vier konkreten Anwendungsbereichen untersucht: wellenlängenmultiplex (WDM) passiven optischen Netzwerken für Glasfaser-Hausanschlüsse und 5G-Netze, Kohärente WDM-Metro/Kern- und Rechenzentrumsnetze, photonische Erzeugung der ultrahochfrequenten drahtlosen Verbindungen für zukünftigen 5G, und die photonische Erzeugung von Terahertz (THz) Frequenzdurchstimmungen für Spektroskopiesysteme.
Semiconductor tunable lasers as miniaturized optical sources with the agility to operate at different wavelengths are key elements in a large variety of applications, ranging from telecom to sensing. Many approaches have been investigated in literature in order to offer integrated solutions that allow both their miniaturization and their co-integration with other optical functionalities in photonic integrated circuits. Those integrated devices typically rely on a controlled change in the refractive index of the tunable sections by means of carrier injection or the thermo-optical effect, or on a change of the physical length of the resonator using micromechanical systems. This work investigates the implementation of C-band tunable lasers based on hybrid photonic integration approach combining InP-based active sections and polymer-based thermo-optically tunable structures. Polymer-based waveguides allow implementing highly-efficient tunable wavelength selective filters and reflectors using beneficial features of the polymer materials such as their large thermo-optical coefficient and low thermal conductivity. The cavity structure considered in this work is a three-section distributed Bragg reflector (DBR) laser, whereby tunabilities of 20 nm are demonstrated. The design strategies of the DBR laser in order to optimize either its high-speed modulation characteristics, linewidth, or maximum achievable continuous tuning, are investigated. A first design targeting high-speed modulation shows a modulation bandwidth of 8.6 GHz and output powers of more than 9.5 dBm. A second device targeting narrow linewidths shows linewidth values as low as 130 kHz, and output powers of 8.45 dBm. A third design targeting maximum achievable swept-tuning provides the possibility of 9 nm tuning without the occurrence of mode-hops. The wavelength setting and stabilization aspects are also covered, showing that wavelength accuracies of ± 2.5 GHz can be achieved. Additionally, preliminary reliability tests are presented, showing the potential long-term reliability of tuning ranges of 20 nm. Finally, the applicability of the proposed tunable laser implementation in different application fields is investigated. The possibility of transmitting at 10 Gb/s over fiber links of 11 km shows its potential usability in wavelength-division-multiplexed (WDM) passive optical networks for Fiber-to-the-home and future 5G networks. Furthermore, hybrid photonic integrated circuits comprising the DBR lasers co-integrated with I/Q Mach-Zehnder modulators allow for high-order coherent modulation formats such as 64-QAM at 25 GBaud, demonstrating the potential of the DBR lasers as key optical building blocks in coherent optoelectronic transceivers for WDM metro/core and data-center networks. Additionally, the DBR lasers are used for the photonic generation of terahertz (THz) carriers for ultra-high-frequency wireless links at 18 Gb/s data rates, showing its potential use in the high-speed wireless links envisioned in future 5G networks. Finally, the DBR laser are tested as continuously tuned sources for the photonic generation of THz frequency-sweeps for spectroscopy systems, proving the possibility of achieving frequency-scans along more than 1 THz.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11260
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10148
Exam Date: 21-Nov-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 26-Jun-2020
DDC Class: 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
600 Technik, Technologie
621 Angewandte Physik
Subject(s): tunable lasers
integrated optics
polymer waveguides
hybrid photonic integration
photonic integrated circuits
abstimmbare Laser
integrierte Optik
Polymer-Wellenleiter
hybride photonische Integration
photonisch integrierte Schaltkreise
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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