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Main Title: Electroabsorption modulated lasers and hybridly integrated lasers for communication and sensing
Translated Title: Elektroabsorptionsmodulierte Laser und hybrid integrierte Laser für Telekommunikation und Sensorik
Author(s): Theurer, Michael Andreas Davy
Advisor(s): Schell, Martin
Referee(s): Schell, Martin
Peters, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Photonic integration offers great innovation potential for the development of photonic components. This work explores this potential by investigating III V based electroabsorption modulated lasers (EMLs) with monolithically integrated semiconductor optical amplifiers (SOAs) and by developing a III V to SiN TriPleX hybrid integration process. The EMLs with integrated SOAs are realized with a low cost identical active layer design. Based on simulations and experimental results, critical design parameters are identified and the corresponding performance tradeoffs are evaluated. A single transmitter EML with integrated SOA is presented, which meets the high output power and extinction ratio requirements of passive optical network (PON) applications. An EML array with integrated SOAs is demonstrated as a compact low cost solution for 200 Gbit/s transmitter. For the first time, a generic hybrid integration process that is compatible with wafer scale flip chip integration of III V to SiN TriPleX is developed. It comprises mechanical alignment stops with epitaxial precise dimensions for passive vertical alignment. For the horizontal alignment, a novel active alignment method is presented. It utilizes optical backscatter reflectometry, which allows overcoming the electrical contacting limitations of classical active alignment. The flip chip hybrid integration process is demonstrated for distributed feedback (DFB) lasers, DFB laser arrays, gain chips, and EML arrays.
Für die Entwicklung photonischer Komponenten bietet die photonische Integration ein immenses Innovationspotential. Mit neuen technologischen Integrationslösungen trägt diese Arbeit dazu bei, dieses Potential auszuschöpfen. Es werden zum einen auf III V Halbleiter basierende elektroabsorptionsmodulierte Laser (EMLs) mit monolithisch integrierten optischen Halbleiterverstärkern (engl. semiconductor optical amplifiers - SOAs) weiterentwickelt, zum anderen wird ein Prozess für die hybride Integration von auf III V basierten photonischen Komponenten mit der auf SiN basierenden photonischen Plattform TriPleX entwickelt. Die EMLs mit integrierten SOAs werden mit identischem aktivem Schichtpacket realisiert, was eine kostengünstige Fabrikation ermöglicht. Ausgehend von Simulationen und experimentellen Ergebnissen werden relevante Designparameter identifiziert und entsprechende Leistungskompromisse evaluiert. Ein Einzeltransmitter-EML mit integriertem SOA wird vorgestellt, welcher die hohen Anforderungen an Ausgangsleistung und Extinktionsverhältnis von passiven optischen Netzwerken (PONs) erfüllt. Ein EML-Array mit integrierten SOAs wird als kompakte und kostengünstige Lösung für 200-Gbit/s Transmitter demonstriert. Es wird erstmalig ein generischer Prozess der hybriden Integration vorgestellt, welcher eine Flip-Chip-Montage von auf III-V basierten Komponenten zu SiN TriPleX auf Wafer Maßstab erlaubt. Der Prozess verwendet mechanische Auflageflächen mit epitaktisch präzisen Dimensionen für eine passive vertikale Justage. Für die horizontale Ausrichtung wird ein neuartiges Justageverfahren vorgestellt. Dabei wird ein reflektiertes optisches Signal für die aktive Justage genutzt, wodurch auf die sonst notwendige elektrische Kontaktierung verzichtet werden kann. Der hybride Integrationsprozess wird für DFB-Laser (engl. distributed feedback laser), DFB-Laser-Arrays, Gain-Chips und EML-Arrays demonstriert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13182
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11976
Exam Date: 18-Mar-2021
Issue Date: 2021
Date Available: 16-Jul-2021
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): semiconductor lasers
hybrid integration
silicon photonics
electroabsorption
flip-chip
halbleiterbasierte Laser
hybride Integration
Silizium-Photonik
Elektroabsorption
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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