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Main Title: Breitbandige VCSEL mit minimalem Energieverbrauch für kommerzielle Anwendungen
Translated Title: Energy efficient large bandwidths VCSELs for commercial applications
Author(s): Larisch, Gunter
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Referee(s): Bimberg, Dieter
Strittmatter, André
Sahm, Jürgen
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine allumfassende Optimierung oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikaler Kavität im Hinblick auf zukünftige, kommerzielle Anwendungen. Dabei sind sowohl hohe Übertragungsraten und Energieeffizienz als auch optische Leistung und Stromdichte des Lasers sowie die Anforderungen an die zum Betrieb des Lasers nötige Infrastruktur gleichrangige Leistungsmerkmale. Wesentlicher Bestandteil dieser Optimierung ist ein neu entwickelter Dünnfilmprozess zur Änderung der Reflektivität des Auskoppelspiegels durch Abscheidung eines Dielektrikums. Auch dieser Prozess wurde unter dem Gesichtspunkt der ökonomischen Durchführbarkeit entwickelt. Da sich zur allgemeinen Beschreibung der Optimierung von Halbleiterlasern weder die Reflektivität noch die Photonenlebensdauer als geeignet herausstellen, wird mit dieser Arbeit ein neuer Optimierungsparameter, der Wert der Übertragungsfunktion H(f) an der Stelle der Resonanzfrequenz fR, eingeführt. Damit wird erstmals eine gezielte Optimierung ermöglicht. Neben der Variation der Reflektivität des Auskoppelspiegels wird im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe der Änderungen von Aperturdurchmesser, Stromstärke sowie der Umgebungstemperatur ein mehrdimensionaler Parameterraum veränderlicher Größen aufgespannt und hinsichtlich aller oben genannter Observablen messtechnisch gerastert. Die gewonnenen Ergebnisse beweisen die Gültigkeit des theoretisch hergeleiteten Optimierungsparameters und lassen Vorhersagen optimaler Betriebsbedingungen und darüber hinaus zukünftige Laserdesigns zu. So wird im Temperaturbereich bis 75°C und bei konstanten Betriebsbedingungen eine fehlerfreie Übertragung von 50 Gbit/s bei ~400 fJ/bit erreicht. Die maximal erzielte fehlerfreie Übertragungsbandbreite liegt bei 52 Gbit/s und ist limitiert durch die zur Verfügung stehende Messtechnik. Für zukünftige Lasergenerationen ist es, basierend auf dieser Arbeit, möglich die Reflektivität schon beim Design des Halbleiterspiegels an z.B. den Aperturdurchmesser bestmöglich anzupassen. Zusätzlich ist eine nachträgliche, kostengünstige und gerichtete Optimierung bereits vollständig prozessierter Laser möglich.
This dissertation provides a new method for the optimization of semiconductor vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) for their use in commercial data communications systems. Via the new method, the VCSEL’s optical power and current density are optimized in concert with the ability of the VCSEL to operate at the highest possible data transmission rates and with the highest possible energy efficiencies. The optimization is a newly developed technique to selectively alter the value of the VCSEL’s high frequency transfer function H(f) that governs the VCSEL’s high frequency modulation bandwidth and data transmission performance by depositing a thin-film dielectric layer onto the surface of post-processed VCSELs which changes the power reflectance of the VCSEL’s top coupling distributed Bragg relfector (DBR) mirror. This thin-film deposition process is performed reliably and at low-cost and is thus suitable for high volume VCSEL wafer production. In the dissertation work the selective adjustment of H(f) includes an analysis of a multidimensional parameter space of variables including a given VCSEL’s oxide-aperture-diameter, epitaxial layer design, bias current, modulation voltage, and the ambient operating temperature. Experiments are performed over this wide parameter space to compare with the theoretical analysis. The measured experimental results prove the validity of the theoretically derived H(f) optimization parameter. An error-free data transmission rate of 50 gigabits-per-second is achieved at ambient operating tempratures of 25 to 85°C with energy efficiencies of about 400 femtojoules-per-bit, all under constant operating conditions. The maximum measured error-free data transmission rate (defined as one bit error in more than one-trillion transmitted bits) is 52 gigabit-per-second which is limited by the available measurement equipment. For future laser generations, based on this work, the optimization method may be used to design and optimize the VCSEL parameters for use in applications other than optical fiber data communications including for example: spectroscopic sensing, free-space optical interconnects, illumination, laser detection and ranging, heating, gesture recognition, and on-chip and chip-to-chip optical interconnects.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6424
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5971
Exam Date: 1-Jun-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 5-Jul-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): vertical-cavity surface-emitting laser
green photonics
energy efficiency
optical data transmission
Energieffizienz
optische Datenübertragung
oberflächenemittierende Halbleiterlaser
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