Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1302
Main Title: Modulated InGaAs/GaAs Quantum Dot Lasers
Translated Title: Modulierte InGaAs/GaAs Quantenpunkt-Laser
Author(s): Kuntz, Matthias
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wurden die dynamischen Eigenschaften von InGaAs-Quantenpunkt-Lasern in drei verschiedenen Bauformen untersucht: als kantenemittierende Laserdioden, oberflächenemittierende Laserdioden sowie Zwei-Sektions-Kantenemitter für Modenkopplung. Kantenemittierende Quantenpunktlaser mit Emissionswellenlängen zwischen 1,1 und 1,3 µm wurden bezüglich ihrer epitaktischen Struktur und ihrer Prozessierung verbessert. Optimierte Laserdioden mit 15 Quantenpunktschichten, durchgeätzten Rippenwellenleiter und Oberseiten-Kontakten für schnelle Tastkopf-Kontaktierung und Bonding wurden hergestellt. Eine entsprechende Modellierung von Quantenpunkt-Kantenemittern wurde entwickelt, die eine Ersatzschaltkreis-Modellierung des Laserchips und des Submounts, eine quasi-statische Modellierung der aktiven Zone sowie eine dynamische Modellierung der aktiven Zone bei Laseroperation umfasst. Ein Relaxationszeit-Modell basierend auf gekoppelten Ratengleichungen sowie ein Mikrozustands-Modell wurden implementiert und für die Simulation der dynamischen Eigenschaften von Quantenpunktlasern verwendet. Kleinsignalmessungen, spektral und zeitlich aufgelöste Messungen sowie digitale Modulation von Quantenpunkt-Lasern wurden durchgeführt, um die physikalischen Grundlagen der dynamischen Eigenschaften wie Modulationsbandbreite, Dämpfung, Einschaltverzögerung sowie spektraler Veränderungen zu beleuchten. Besonderes Augenmerk lag auf der Unterscheidung von intrinsischen, Quantenpunkt-inhärenten Effekten und Eigenschaften der die aktive Zone umgebenden Laserstruktur. Eines der Ziele meiner Arbeit war die Identifikation dieser intrinsischen Limitierungen des Quantenpunkt-Gewinnmediums. Der Vergleich von experimentellen Resultaten und entsprechenden Simulationen zeigt, dass die entscheidenden Mechanismen zur Limitierung des dynamischen Verhaltens zum einen die Reduktion des differentiellen Gewinns durch Auffüllung der Zustände der aktiven Zone und zum anderen die relativ langsame (mehrere ps) Relaxations- und Einfangzeit von Ladungsträger in die Quantenpunkte sind. Modulationsbandbreiten bis zu 7 GHz wurden erreicht, welche nur schwach von der Zahl der Quantenpunktschichten abhingen. Augendiagrammmessungen mit Datenraten zwischen 2.5 GHz und 12 GHz wurden durchgeführt und zeigten symmetrische und offene Augenmessungen. Bitfehlerraten-Messungen mit 8 und 10 Gb/s Datenrate ergaben fehlerfreie Übertragung (Fehlerrate < 10-12) bei einer Empfängerleistung von 2 dBm und einer Wellenlänge von 1,3 µm. Keine signifikante Verbesserung der Bandbreite durch p-Dotierung und Tunnelinjektion konnte von uns gefunden werden. Quantenpunkt-Oberflächenemitter mit 1,1 µm Emissionswellenlänge wurden bezüglich ihrer Modulationsbandbreite in Abhängigkeit vom Kontakt-Layout und Aperturdurchmesser charakterisiert. Die aus Klein- und Grosssignalmessungen bestimmte Modulationsbandbreite lag zwischen 1 und 2 GHz. Basierend auf dem Design der kantenemittierenden Quantenpunkt-Laserdioden wurden Bauelemente für passive und hybride Modenkopplung prozessiert. Eine Gegenspannungs-Absorbersektion wurde durch ein Zwei-Kontakt-Layout realisiert. Die elektrische Isolierung zwischen Absorber- und Gewinnsektion wurde durch Durchätzen bzw. Ionenimplantation gewährleistet. Die Einbringung eines sättigbaren Absorbers mit Hilfe von Ionenimplantation durch die Facette bzw. Oberseite des Bauelements war nicht erfolgreich, da die Ionendosis nur unzureichend kontrolliert werden konnte. Bauelemente mit Längen zwischen 0,8 und 8 mm und entsprechenden Wiederholraten zwischen 5 und 50 GHz wurden mit verschiedenen Absorber-/Gewinnsektions-Verhältnissen realisiert und charakterisiert. Stabile passive Modenkopplung mit Fourier-limitierten Pulsen mit typischem Pulsbreite/Periodendauer-Verhältnis von 10-20 % wurde für Absorberspannungen zwischen -2 und -6 V gefunden. Hybride Modenkopplung wurde bei 20 GHz Wiederholrate realisiert und ergab eine Locking-Bandbreite von 100 MHz bei einer elektrischen Modulationsleistung von 25 dBm. Die Pulsbreite der passiven und hybriden Modenkopplung war durch die maximale angelegte Absorber-Gegenspannung, Gewinn- und Absorbersättigung begrenzt. Kürzere Pulse sollten durch eine Vergrösserung der QP-Schicht-Anzahl, höhere Absorberspannungen sowie eine Abstimmung der Absorberlänge möglich sein.
In this work, we investigated the dynamic properties of InGaAs quantum dot lasers in three different configurations: edge emitting laser diodes, vertical surface emitting diodes and two-sectional mode-locked edge emitting diodes. Edge emitting laser diodes emitting at wavelengths between 1.1 µm and 1.3 µm were improved regarding their epitaxial structure and processing. Optimized laser diodes comprise 15-fold stacked QD layers, an etched-through ridge waveguide and top-side contacts suitable for fast probing and bonding. Subsequent modeling of the edge emitting lasers was done including equivalent circuit modeling of the laser chip and submount, quasi-static modeling of the active zone and a dynamic modeling of the active zone under operation. A rate equation based relaxation time model as well as a microstates model were implemented and used for the simulation of dynamic behavior of QD lasers. Simulation with a full microstates Monte-Carlo model was limited by the available computational resources. Small signal measurements, spectro-temporally resolved measurements and digital modulation measurements were performed to clarify the physical origin of dynamic properties like modulation bandwidth, damping, turn-on delay and spectral shaping. Emphasis was put on a distinction between intrinsic, quantum dot inherent effects and effects due to the device structure. The main goal of my work was the identification of these intrinsic limitations of the QD gain medium. Comparison of experimental results and modeling shows that the main limiting mechanisms are differential gain reduction due to state filling and moderate relaxation and capture time constants leading to spectral gain compression. Modulation bandwidths up to 7 GHz were achieved, with only weak dependence on the number of stacked QD layers. Eye pattern measurements with data rates between 2.5 and 12 Gb/s were performed showing symmetric, open eye traces. Bit error rate measurements were performed at 8 and 10 Gb/s data rate yielding error-free (error rate below 10-12) data modulation at a receiver power of -2 dBm at 1.3 µm emission wavelength. In order to increase the error-free transmission region (lower receiver power, lower input power etc.) of digitally modulated QD lasers at 10 Gb/s their modulation bandwidth has to be significantly increased to 12-15 GHz. No evidence for the benefits of p-doping and tunnel injection for the dynamic properties was found during our investigations. Improvement could probably be accomplished by vertical coupling of the QD stacks, the decrease of the inhomogeneous broadening of the QD ensemble, the increase of the QD density and the tailoring of the quantum well layer surrounding the quantum dots. QD VCSELs emitting at 1.1 µm wavelength were characterized regarding their modulation bandwidth in dependence on the contact layout and aperture size. From small and large signal measurements we determined the modulation bandwidth to be in the range of 1-2 GHz. The main limitations for the bandwidth are relatively small gain and differential gain of the QD gain medium, large capacitance of the QD region and the thermal limitation of the devices, leading to power and bandwidth roll-off. QD VCSELs are subjected to gain compression effects to a greater extent than multimodal edge emitting QD lasers. QD VCSELs with small apertures are suitable for data transmission due to their single mode emission. However, small aperture QD VCSELs have shown to have a smaller RC bandwidth and modulation bandwidth due to current spreading effects inside the cavity. QD laser diodes for passive and hybrid mode-locking were processed based on edge emitting multi-stacked QD laser. A reverse bias absorber section was defined by a two-sectional contact layout. The electrical insulation between the absorber and gain section was optimized by etching and ion implantation. Definition of an absorber section by ion implantation through the facet or from the top side was not successful due to insufficient ion dose control. Devices with length between 800 µm and 8000 µm corresponding to repetition frequencies between 5 and 50 GHz were characterized comprising different absorber-gain section ratios. Stable passive mode-locking with Fourier-limited pulse widths with a typical width-to-period ratio of 10-20 % was found for reverse bias voltages in the range of -2 to -6 V. Hybrid mode-locking was achieved for 20 GHz repetition frequency, with a locking range of 100 MHz at 25 dBm input power. The pulse width was limited by the maximum reverse bias voltage, gain and absorption saturation. Shorter pulses can be achieved by stacking of more QD layers, application of larger bias voltages and adjustment of the absorber length. Future development of modulated InGaAs quantum dot devices will strongly depend on the substantial improvement of the intrinsic QD modulation properties. Guidance for epitaxial growth of faster quantum dot structures can only arise from a thorough understanding and modeling of the complete quantum dot structure. Whereas the requirements for modeling of quantum dot lasers have been clarified in the past years, no computationally feasible and complete dynamic model including crucial spectral and electronic features has been presented so far. Therefore, modeling and simulation of QD lasers are important milestones for the next years. At the same time, well-known issues like the excessive inhomogeneous broadening of self-assembled quantum dots have to be addressed to tap the full potential of zero-dimensional confinement.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12242
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1599
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1302
Exam Date: 9-Nov-2005
Issue Date: 23-Feb-2006
Date Available: 23-Feb-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Bitfehlerrate
Halbleiterlaser
Modellierung
Modenkopplung
Quantenpunkt
Bit error rate
Mode locking
Modelling
Quantum dot
Semiconductor laser
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