Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1518
Main Title: GaAs-based semiconductor optical amplifiers with quantum dots as an active medium
Translated Title: GaAs-basierte optische Halbleiterverstärker mit Quantenpunkten als aktivem Material
Author(s): Lämmlin, 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 über GaAs-basierte optische Halbleiterverstärker (SOA) mit InGaAs Quantenpunkten (QPen) als aktivem Material wird über die Herstellung und Charakterisierung solcher Bauelemente für optische Verstärkung im 1.3 µm Wellenlängenbereich berichtet. Ein Teil der Arbeit befasst sich mit der Simulation und Modellierung der Verstärker, in der zentrale Bauelementeeigenschaften untersucht werden, die für das Design von schrägen Wellenleitern und Anti-Reflektionsbeschichtungen wichtig sind und die Aufschluss über das generelle Gewinn- und Sättigungsverhalten von Verstärkern geben. Dieser theoretische Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den besonderen Eigenschaften (p-Dotierung, Alphafaktor, inhomogene Verbreiterung, Sättigungs- und Gewinnerholungsmechanismen) von QPen, die für SOA relevant sind. Gewinn, Gewinnsättigung, Bandbreite, sowie Polarisationsabhängigkeit und verstärkte spontane Emission von SOA werden diskutiert. Das Theoriekapitel schließt mit einer Betrachtung über die verfügbaren QP SOA Modelle, die eine exzellente Leistungsfähigkeit dieser Verstärker vorhersagen. Ein neues Prozessierungsschema wurde entwickelt, bei dem durch den aktiven Wellenleiter hindurch geätzt wird, um eine starke Indexwellenführung zu erreichen. Ein neues Kontaktschema wurde realisiert, das erlaubt, die Kontakte von oben mit einem Tastkopf zu kontaktieren. Für den Wellenleiter wurde ein Konzept aus schrägem Wellenleiter in Kombination mit Anti-Reflektionsschichten angewendet. Die resultierende Reflektivität konnte mit der Hakki-Paoli Methode vermessen werden; es wurden Werte deutlich unter 10e(-3) erreicht. Statische Messungen an den QP SOA ergaben einen Chipgewinn von 25 dB, eine Bandbreite von 30 nm und eine minimale Chiprauschzahl von 4 dB, nahe am theoretischen Minimum von 3 dB. Kreuzgewinn- und Polarisationsmessungen bestätigten das Verhalten eines typischen inhomogen verbreiterten Gewinnmediums und entkoppelten QPen in einem rechteckigen Wellenleiter. Dynamische Messungen zeigten ultraschnelle, unverzerrte Verstärkung von modengekoppelten Pulsfolgen mit Wiederholraten bis 80 GHz und minimalen Pulsbreiten von 710 fs. Mittels Pump-Probe-Spektroskopie wurde die Gewinnerholung nach zwei ultraschnellen 150 fs Pulsen vermessen, die eine vollständige Erholung des Grundzustandgewinns unter hohen Stromdichten zeigten. Die Kleinsignal-Kreuzgewinnmessungen demonstrierten Bandbreiten zwischen 1 und 3.5 GHz und damit das Potential für Multi-Wellenlängenverstärkung ohne Übersprechen der Kanäle außerhalb der homogenen Verbreiterung. 40 Gb/s Systemübertragungsmessungen wiesen eine fehlerfreie Verstärkung bis zu einer Bitfehlerrate von 10e(-12) nach und zeigten eine musterfreie Übertragung im linearen und schwach-gesättigten Bereich des QP SOA. Die QP SOA sind auf dem neuesten Stand der Technik und zeigen das Potential für über 100 GHz Übertragung bei 1.3 µm Telekomwellenlängen. QPe als Gewinnmedium demonstrieren das Leistungsvermögen für zukünftige rein-optische Hochgeschwindigkeitsnetzwerke mit QP SOA als ultraschnelle Verstärkungselemente oder funktionale Elemente in rein-optischer Signalverarbeitung.
This work is a comprehensive report of the realization and characterization of GaAs based semiconductor optical amplifiers (SOA) using self-organized InGaAs quantum dots (QD) as an active gain medium for optical amplification in the 1.3 µm wavelength regime. A part of the thesis was devoted to simulation and modeling of the device properties. These simulations provided the input for design considerations to realize traveling wave amplifiers. The theory part builds the background to understand the unique properties of the quantum dots and the important characteristics of a semiconductor optical amplifier. SOA relevant features of InGaAs quantum dots like p-doping, the linewidth enhancement factor, inhomogeneous broadening of the emission, gain saturation mechanisms and gain recovery were discussed. The theory part was topped off with a review on available models for QD SOAs and subsumed important results that predict excellent performance of QD based SOAs in comparison to conventional SOAs. In order to realize a single mode amplifier with a strong guiding of the input signal, the narrow ridge waveguide processing applied for QD lasers was re-designed. With the new processing scheme deeply dry etched (through the active layer) ridge waveguides were realized and a new top contact scheme was implemented enabling easy access to the top contacts with a ground-signal-ground probe head. The concept of tilted waveguides in combination with two-layer anti-reflection coatings was applied and reflectivities below 10e(-3) were achieved. The cw performance of the QD SOAs was comparable to commercial QW based amplifiers at 1.3 µm with a chip gain up to 25 dB limited by the onset of lasing, a spectral amplifier bandwidth of 30 nm indicating that these QDs were relatively homogeneous in size, and a minimum chip noise figure of 4 dB which was close to the theoretical limit of 3 dB. In the linear regime of the QD SOA, i.e. at low input power, negligible influence of three CWDM wavelengths amplified in the SOA was found, which shows the potential for multi-wavelength data transmission. The ASE cross gain measurement displayed a spectral hole with a shallow slope since carrier replenishment in a particular saturated QD group originated from other, spectrally neighboring, QD groups, which is typical for an inhomogeneously broadened gain medium. Polarization resolved measurements evidenced a polarization ratio of 6-8 dB. In dynamic measurements the QD SOAs demonstrated excellent performance. The amplification of fast pulse trains from mode-locked lasers with identical QD gain medium, repetition frequencies from 20 to 80 GHz, and pulse widths as short as 710 fs was investigated. Thereby, insight in the capabilities of the QD SOA to amplify a high speed pulse sequence was gained. The mode-locked pulse trains were essentially undistorted by the amplifier and only a small increase of the auto-correlation pulse width was observed at high repetition rates of 40 and 80 GHz. Using ultrafast pump-probe spectroscopy the gain recovery dynamics in a QD based SOA after amplification of double femtosecond pump pulses was investigated. A distinct change in gain recovery in the ground state was observed when a significant excited state population was achieved. A complete gain recovery was found when two 150 fs pulses with 5 ps time delay passed through the SOA in resonance to the ground state under high injection currents of 80 to 100 mA. With measurements of small signal cross gain modulation, the modulation bandwidth in a QD SOA was investigated. Only little dependence on the pump-probe wavelength detuning was found. The largest effect was the increase of the bandwidth with the bias current, which was attributed to the presence of the populated ES at larger injection. The measured XGM bandwidths between 1 and 3.5 GHz were in agreement with other small signal measurements on quantum dot and quantum dash samples and demonstrate the potential for multi-wavelength amplification without crosstalk in the region outside the homogeneous broadening of the QDs. A 40 Gb/s NRZ PRBS data transmission with a QD SOA module was measured. Bit-error-ratio measurements showed penalty free communication as compared to a back-to-back measurement without the QD SOA, and error-free amplification down to a BER of 10e(-12) was demonstrated. The patterning behavior was assessed in detail and large patterning effects of the QD SOA under strong saturation were found, but it was also shown that the QDs facilitate a pattern-free operation in the linear and weakly saturated SOA regime. The dynamic behavior of the quantum dot based SOAs was proven to be state of the art enabling ultrafast, beyond 100 GHz operation at 1.3 µm telecom wavelengths. Using QDs as a gain medium opens up the road for future high speed all-optical networks employing QD SOAs as ultrafast amplifying elements or functional elements in all-optical signal processing.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14761
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1815
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1518
Exam Date: 21-Dec-2006
Issue Date: 17-Jan-2007
Date Available: 17-Jan-2007
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Bitfehlerrate
GaAs
Halbleiterverstärker
Quantenpunkt
Verstärkung
Bit error rate
GaAs
Gain
Quantum dot
Semiconductor optical amplifier
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