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Main Title: GaAs-based components for photonic integrated circuits
Translated Title: GaAs-basierte Komponenten für photonische integrierte Schaltungen
Author(s): Arar, Bassem
Advisor(s): Tränkle, Günther
Referee(s): Tränkle, Günther
Petermann, Klaus
Michalzik, Rainer
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Semiconductor lasers based on GaAs/AlGaAs double heterostructures have recently received increasing interest for atomic spectroscopy applications. For example GaAs/AlGaAs double heterostructure laser radiation at the wavelengths of 780 nm and 1064 nm is used for rubidium spectroscopy, and for molecular iodine spectroscopy (at 532 nm using frequency-doubling techniques), respectively. Optical systems used for these applications should feature compact, mechanically stable, and highly efficient components in order to be suitable for operation in harsh environments (e.g. quantum optic precision experiments in drop towers or in space). State-of-the-art optical systems use micro-integrated laser modules with a small footprint. However, passive components that are necessary for the manipulation of the laser light such as phase and amplitude modulators, fiber couplers, and beam splitters are only commercially available on macro-scales. These components are then integrated into the laser systems platforms where additional opto-mechanical components are indispensable. Because of their excessive request for space, commercially available laser systems and electro-optic setups are not suitable for deployment in the field or in space. The miniaturization of passive components for reduction of mass and form factor of electro-optical systems as well as for improving the overall robustness and reliability of the latter is a prerequisite for field- and space deployment of quantum sensors. This work presents GaAs/AlGaAs double heterostructure electro-optic phase modulators for the first time at the wavelength of 780 nm and at the wavelength of 1064 nm. The specifications of the phase modulators meet the micro-integration requirements into hybrid laser modules and spectroscopy modules with respect to optical aperture and electrical interface. Details related to design and fabrication of the phase modulators are included. The characterization of the electric and electro-optic properties of the phase modulators is then presented. The GaAs/AlGaAs double heterostructure of the phase modulators is further used to develop, design, and realize waveguide couplers. Multi-mode interference (MMI) couplers for applications at the wavelength of 780 nm are presented for the first time. MMI couplers can replace fiber-based couplers in complex optical systems and are core building blocks for photonic integrated circuits (PICs). The compatibility of the double heterostructure phase modulators and MMI couplers for implementation of PICs is then demonstrated through a monolithically integrated Mach-Zehnder-intensity modulator at 780 nm for the first time. Further, a method based on heterodyne interferometry is developed for the in-depth investigation of phase modulators including phase and amplitude modulation response, including modulation efficiency, residual amplitude modulation, and signal distortion in GaAs-based phase modulators. During hybrid integration of a phase modulator chip into an electro-optical hybrid system, this method can be applied to optimize the coupling efficiency in real time while at the same time reducing the residual amplitude modulation. The method further provides the means to separate linear and the non-linear effects in the phase modulation signal. It is shown how this provides the means to determine separately linear and quadratic electro-optics in GaAs/AlGaAs double heterostructures. For the first time, the quadratic electro-optic coefficient is determined without having to calculate the contribution of free carriers effects to phase modulation. This thesis work is organized as follows: First, the fundamentals of guided wave optics are presented (chapter 3). Electromagnetic wave propagation in planar waveguides is described, conditions for guided optical modes are provided, and concepts for waveguide couplers are discussed. Then the electro-optic properties of GaAs are presented and phase modulation in GaAs/AlGaAs double heterostructures due to electro-optic effects is introduced (chapter 4). Next, the design of GaAs/AlGaAs double heterostructure phase modulators (chapter 5) and waveguide couplers (chapter 6) is presented. For the design of the phase modulators we study the state-of-the-art GaAs-based electro-optic phase modulators at the wavelength of 1.31nm and transfer these concepts to the wavelengths of 780nm and 1064nm. Efficient GaAs/AlGaAs double heterostructures with phase modulation efficiencies larger than 15deg/(V · mm) are designed. The design of low loss and polarization maintaining waveguide couplers and phase modulators then allows for the development of a Mach-Zehnder intensity modulator (chapter 7) at the wavelengths of 780nm. In the experimental part of this work, after fabrication (chapter 8), the electro-optic performance of these devices is characterized experimentally. The performance of phase modulators, waveguide couplers, and MZI modulators is determined (chapter 9). The modulation efficiency of 16deg/(V · mm) is demonstrated for phase modulators at 780nm and at 1064nm. The propagation losses amount to 1.2dB/cm at 780nm and to 4.3dB/cm at 1064nm (which corresponds to an improvement beyond state-of-the-art for GaAs-based phase modulators at 1064nm). For the Mach-Zehnder-intensity modulator, the extinction ratio of more than 10dB and excess loss of less than 3dB are demonstrated. Further, the novel heterodyne analysis method for in-depth characterization of the electro-optic performance of phase modulators is developed and implemented (chapter 10). As an application of the heterodyne analysis method, the linear and the quadratic electro-optic coefficients of GaAs/AlGaAs double heterostructures are determined. For the linear electro-optic coefficient we find results that are in agreement with literature. However, the results for the quadratic electro-optic co-efficients differ from values given in the literature. The discrepancy is discussed and suggestions to solve it are provided.
Halbleiterlaser auf Basis von GaAs/AlGaAs Doppelheterostrukturen erhalten in letzter Zeit zunehmend Interesse für Anwendungen in quantenoptischen Experimenten, z.B. in der Atomspektroskopie. Zum Beispiel wird mit GaAs/AlGaAs Diodenlasern erzeugte, kohärente Strahlung bei den Wellenlängen von 780 nm und 1064 nm für die Rubidium- und Iodspektroskopie eingesetzt. Elektro-optische Systeme für diese Anwendungen müssen aus kompakten, mechanisch stabilen, und hocheffiziente Komponenten aufgebaut sein, um den Einsatz in rauen Umgebungen (z.B. in Falltürmen oder im Weltraum) zu erlauben. In aktuellen optischen Lasersystemplatformen werden mikrointegrierte Lasermodule mit geringem Platzbedarf eingesetzt. Jedoch sind passive Komponenten, die für die Manipulation des Laserlichts notwendig sind, wie z.B. Phasen- und Amplitudenmodulatoren, Faserkoppler und Strahlteiler, kommerziell nur auf Makroskalen verfügbar. Diese Komponenten werden dann in die Lasersystemplattformen integriert, was zusätzliche opto-mechanische Komponenten erforderlich macht. Aufgrund ihres erheblichen Platzbedarfs sind State-of-the-Art Lasersysteme für den Einsatz im Feld oder im Weltraum nicht geeignet. Die Miniaturisierung von passiven Bauelementen zur Reduzierung von Masse und Formfaktor von elektrooptischen Systemen sowie zur Verbesserung der Robustheit und Zuverlässigkeit der Systeme ist eine Voraussetzung für den Einsatz von Quantensensoren im Feld oder im Weltraum. Im Rahmen dieser Arbeit werden GaAs/AlGaAs Doppelheterostruktur elektrooptische Phasenmodulatoren zum ersten Mal für die Wellenlänge von 780nm und für die Wellenlänge von 1064nm realisiert. Die Entwicklung, Herstellung, und anschließend die Charakterisierung der elektrischen und elektrooptischen Eigenschaften der Phasenmodulatoren wird in Details präsentiert. Die GaAs/AlGaAs Doppelheterostruktur der Phasenmodulatoren wird außerdem verwendet, um Wellenleiterkoppler zu entwickeln und zu realisieren. Multi-Mode-Interferenz (MMI) Koppler und Richtkoppler für Anwendungen bei der Wellenlänge von 780nm werden zum ersten Mal vorgestellt. MMI Koppler können Faser-basierte Koppler in komplexen, Optischesystemen ersetzen und sind Kernbausteine für photonische integrierte Schaltungen. Die Kompatibilität der Doppelheterostruktur Phasenmodulatoren und MMI-Koppler für die Realisierung photonischer integrierten Schaltungen wird außerdem durch die Realisierung eines Mach-Zehnder-Intensitätsmodulators bei der Wellenlängen von 780 nm zum ersten Mal demonstriert. Darüber hinaus wird ein auf heterodyner Interferometrie basierendes Messverfahren zur Untersuchung der Modulationseffizienz, der Restamplitudenmodulation, und der nichtlineare Signalverzerrung in Phasenmodulatoren entwickelt. Während der hybriden Integration eines Phasenmodulatorchips in ein elektrooptisches Hybridsystem kann dieses Verfahren angewendet werden, um in Echtzeit die Kopplungseffizienz zu optimieren und gleichzeitig die Restamplitudenmodulation zu reduzieren. Außerdem können mit diesem Verfahren linearer und nicht-linearer Response im Phasenmodulationssignal getrennt werden. Es wird gezeigt, wie dies die Möglichkeit bereitstellt, lineare und quadratische elektro-optische Koeffizienten in GaAs/AlGaAs Doppelheterostrukturen unabhängig voneinander zu bestimmen: zum ersten Mal kann der quadratische elektrooptische Koeffizient bestimmt werden, ohne dass der Beitrag der freier Ladungsträger zur Phasenmodulation ab initio berechnet werden muss. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert: Zunächst wird die Physik der geführten Wellenoptik vorgestellt (Kapitel 3). Die elektromagnetische Wellenausbreitung in planaren Wellenleitern wird beschrieben, Bedingungen für geführte optische Moden werden bereitgestellt, und Konzepte für Wellenleiterkopplern werden diskutiert. Schließlich werden die elektrooptischen Eigenschaften von GaAs vorgestellt und die elektrooptischen Effekte in GaAs/AlGaAs Doppelheterostrukturen beschrieben (Kapitel 4). Im Anschluss werden Phasenmodulatoren (Kapitel 5) und Wellenleiterkoppler (Kapitel 6) basierend auf GaAs/AlGaAs Doppelheterostruktur entworfen. Für das Design der Phasenmodulatoren wird der Stand der Technik bei GaAs-basierten elektrooptische Phasenmodulatoren analysiert und ausgehend davon die Übertragung der für 1.31 µm bestehenden Konzepte auf die Wellenlängen 780 nm und 1064 nm vorgenommen. Das Design von Phasenmodulatoren basierend auf einer GaAs/AlGaAs Doppelheterostruktur wird erarbeitet. Die Simulationen versprechen eine Modulationseffizienz von mehr als 15deg/(V · mm). Schließlich wird das Design der Doppelheterostruktur genutzt, um das Design von Wellenleiterkoppler zu erstellen, so dass diese Komponenten zusammen mit dem Phasenmodulator für das Design eines Mach-Zehnder Intensitätsmodulator (MZI) genutzt werden können. Das Design des MZIs folgt in Kapitel 7. Im experimentellen Teil werden die Strukturen nach der Herstellung (Kapitel 8) charakterisiert. Die Phasenmodulatoren, die Wellenleiterkoppler, und die MZI Mdulatoren werden experimentell untersucht (Kapitel 9). Die für 780 nm und 1064 nm realisierten Phasenmodulatoren zeigen eine Phasenmodulationseffizient von 16deg/(V · mm). Die Ausbreitungsverluste betragen 1.2dB/cm bei 780nm und 4.3dB/cm bei 1064nm und stellen daher eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik (12 dB/cm für GaAs/AlGaAs Phasenmodulatoren bei 1.06µm.) dar. Mit dem Mach-Zehnder-Intensitätsmodulator werden ein Extinktionsverhältnis von mehr als 10dB und zusätzliche Verluste (excess loss) von weniger als 3dB demonstriert. Ferner werden die Phasenmodulatoren mit dem Heterodynanalyseverfahren untersucht (Kapitel 10). Mithilfe des neuartigen Messverfahrens werden lineare und nichtlineare Effekte in dem Phasenmodulationssignal getrennt. Daraus können der lineare elektro-optischen (LEO) und der quadratische elektro-optische (QEO) Koeffizienten der GaAs/AlGaAs Doppelheterostrukturen bestimmt werden. Für den LEO Koeffizienten finden wir Ergebnisse, die in guter Übereinstimmung mit der Literatur stehen. Die Ergebnisse für den QEO Koeffizienten unterscheiden sich jedoch von den in der Literatur beschriebenen Werten. Die Diskrepanz wird diskutiert und Vorschläge zu ihrer Lösung werden skizziert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9123
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8212
Exam Date: 25-Jan-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 25-Mar-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): photonic integrated circtuits
electro-optic phase modulators
optical wave guides
GaAs/AlGaAs heterostructures
residual amplitude modulation
photonische integrierte Schaltungen
elektrooptische Phasenmodulatoren
optische Wellenleiter
GaAs/AlGaAs Heterostrukturen
Residual-Amplitudenmodulation
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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