TY  - THES
A1  - Zimmermann, Jörg
T1  - Optische Wellenleiter und Filter in photonischen Kristallen auf Indiumphosphid-Basis
T1  - Optical waveguides and filters in photonic crystals based on indium phosphide
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden optische Wellenleiter und Filter in zweidimensionalen photonischen Kristallen auf Indiumphosphid-Basis hergestellt, numerisch modelliert sowie experimentell im für die optische Nachrichtentechnik wichtigen Wellenlängenbereich um 1,55 µm untersucht. Photonische Kristalle weisen eine periodische Variation des Brechungsindex auf. Durch das gezielte Einbringen von Defekten in die periodische Struktur ist eine Manipulation der photonischen Zustandsdichte und somit der Lichtausbreitung möglich. Grundbaustein der durchgeführten Untersuchungen ist der lineare Defektwellenleiter in einem triangulären Gitter aus Luftlöchern in einer Halbleitermatrix, der durch das Auslassen von einer oder mehreren Lochreihen entsteht. Die Wellenführung in vertikaler Richtung wird durch eine Halbleiterheterostruktur mit einer Wellenleiterkernschicht aus InGaAsP oder InGaAlAs und Mantelschichten mit niedrigerem Brechungsindex realisiert. Die Einbettung des zweidimensionalen Lochgitters in die InP-basierte Halbleiterheterostruktur erlaubt die Integration mit aktiven optoelektronischen Bauteilen wie Sende- und Empfangselementen sowie die Verwendung bestehender Halbleiterstrukturierungstechnologien. Die photonischen Kristall-Wellenleiter wurden mit hochauflösender Elektronenstrahllithographie und einem zweistufigen Trockenätzprozess hergestellt. Damit konnten Lochradien von 100 nm und Lochtiefen von 4 µm realisiert werden. Zur experimentellen Untersuchung der hergestellten Strukturen wurden Messplätze für die optische Charakterisierung von Transmission und chromatischer Dispersion von photonischen Kristall-Wellenleitern und -Filtern aufgebaut und die Phasenverschiebungsmethode sowie die Modulationsmethode mit Offset angewendet. Damit konnte erstmals direkt die Gruppenlaufzeitdispersion eines photonischen Kristall-Wellenleiter-Filters gemessen werden. Numerische Untersuchungen wurden mit dem Verfahren der Entwicklung nach ebenen Wellen sowie mit dem FDTD-Verfahren durchgeführt. Die photonischen Kristall-Wellenleiter besitzen mehrere Wellenleitermoden, die teilweise refraktiven (auf Totalreflexion beruhenden) und teilweise diffraktiven (auf Bragg-Reflexion beruhenden) Charakter haben. Je nach Symmetrie treten zwischen den Moden Ministoppbänder auf, die sich im Transmissionsspektrum als Intensitätseinbrüche darstellen. Die spektrale Lage dieser Ministoppbänder hängt von der Wellenleitergeometrie ab. Messungen an Wellenleitern mit verschiedener Länge zeigen eine starke Variation der spektralen Breite der Ministoppbänder. Diese kann mit der Theorie der gekoppelten Moden unter Annahme unterschiedlicher Dämpfungswerte für die gekoppelten Wellenleitermoden erklärt werden. Die entscheidene Wellenleitereigenschaft für praktische Anwendungen ist die Wellenleiterdämpfung. Diese wurde mit den Verfahren der Fabry-Pérot-Resonanzen sowie der Längenvariation experimentell bestimmt. Durch Wahl eines geeigneten Schichtaufbaus und Optimierung der Herstellungsprozesse konnten die für das untersuchte Materialsystem niedrigsten Dämpfungswerte in photonischen Kristall-Wellenleitern erzielt werden. Für W7-, W5- und W3-Wellenleiter wurden Dämpfungswerte von 0,2 dB/mm, 0,6 dB/mm und 1,5 dB/mm erreicht, die schmaleren W1-Wellenleiter zeigen Verluste von 27 dB/mm. Zwei Typen optischer Wellenleiter-Filter wurden untersucht: Richtkoppler sowie Resonatoren. Photonische Kristall-Wellenleiter-Richtkoppler eignen sich als ultrakompakte Demultiplexer und Kanal-Auslasser. Bei den experimentell realisierten photonischen Kristall-Wellenleiter-Richtkopplern konnte das eingekoppelte Licht je nach Wellenlänge in den einen oder anderen Ausgangswellenleiter gelenkt werden. Bei photonischen Kristall-Wellenleitern mit Resonatoren konnten Güte-Faktoren bis zu 1,5*10^4 bei einem Kanalabstand von 100 GHz realisiert werden. Die Gruppenlaufzeitdispersion in diesen Strukturen variiert zwischen -250 ps/nm und +250 ps/nm, so dass mit einem 420 µm langen photonischen Kristall-Wellenleiter-Filter die Dispersion von 15 km Standardglasfaser bei 1,55 µm Wellenlänge kompensiert werden kann. Mit Hilfe von kleinen Temperaturänderungen kann die Resonanzkurve verschoben werden. Der demonstrierte photonische Kristall-Wellenleiter-Resonator stellt daher einen miniaturisierten durchstimmbaren Dispersionskompensator dar.
N2  - Optical waveguides and filters in two-dimensional photonic crystals based on indium phosphide have been fabricated and investigated both numerically and experimentally in the spectral range around the optical communication wavelength of 1.55 µm. Photonic crystals are composed of a periodic arrangement of materials with different refractive indices, e.g. semiconductor material and air, on the scale of the wavelength of light. By inserting defects into the periodic structure, the propagation of light can be manipulated. The linear defect waveguide in a triangular lattice of air holes formed by the omission of one or several rows of holes, serves as the basic building block for the investigated optical filters. Optical confinement in vertical direction is realized by a semiconductor heterostructure with a waveguide core layer out of InGaAsP or InGaAlAs and cladding layers with lower refractive index. Embedding the two-dimensional lattice of air holes in an InP based heterostructure allows for the integration with active optoelectronic devices such as emitters and receivers and the application of existing semiconductor fabrication technologies. The photonic crystal waveguides were fabricated by high-resolution electron beam lithography and a two-step dry etching process, resulting in air holes with radii of 100 nm and depths of 4 µm. For the experimental investigations of the fabricated structures, measurement setups for the optical characterization of transmission and chromatic dispersion of photonic crystal waveguides and waveguide filters were installed. The phase shift method and the modulation method with offset were applied. The group velocity dispersion of a photonic crystal waveguide filter has been measured for the first time. Numerical studies were performed using two-dimensional plane wave expansion and finite difference time domain computations. Several waveguide modes can exist in the photonic crystal waveguides, some of which are of refractive (based on total internal reflection) and some of which are of diffractive nature (based on Bragg reflection). Depending on the mode symmetry, mini-stopbands can occur between the modes, which are observed as intensity dips in the transmission spectra. Transmission measurements of waveguides with various lengths show a strong variation of the spectral width of these mini-stopbands. This behavior can be explained by coupled-mode theory assuming different attenuation coefficients for the coupling waveguide modes. The property most critical for potential use in large-scale photonic integrated circuits is the waveguide loss. The waveguide loss was experimentally determined by the Fabry-Pérot resonance method and by transmission measurements of waveguides with various lengths. By choosing a suitable layer structure and optimizing the fabrication process, it was possible to achieve the lowest waveguide attenuation values for the investigated materials system. For W7, W5, and W3 waveguides, attenuation values of 0.2 dB/mm, 0.6 dB/mm, and 1.5 dB/mm were achieved. The W1 waveguides exhibit waveguide losses of 27 dB/mm. Two types of optical waveguide filters were investigated: directional couplers and resonators. Photonic crystal waveguide directional couplers, formed by two closely spaced linear defect waveguides, can be used as compact demultiplexers or channel interleavers. Wavelength selective operation of the fabricated photonic crystal waveguide directional couplers was demonstrated by directing the injected light signals to either one of the output waveguides, depending on the wavelength. Photonic crystal waveguide resonators were formed by inserting two photonic crystal sections that act as partial reflectors into linear defect waveguides. The fabricated devices with a resonator length of 420 µm show quality factors up to 1.5*10^4 at a channel spacing of 100 GHz. The group velocity dispersion in these structures ranges from -250 ps/nm to +250 ps/nm, sufficing to compensate for the dispersion of 15 km of standard single-mode fiber at wavelengths around 1.55 µm. By controlling the device temperature, the resonance curve and the dispersive properties of the device can be tuned. The demonstrated photonic crystal waveguide resonator therefore can be used as a miniaturized tunable dispersion compensator.
KW  - Photonischer Kristall
KW  - Indiumphosphid
KW  - Lichtwellenleiter
KW  - Optisches Filter
KW  - Photonische Kristalle
KW  - Wellenleiter
KW  - Resonator
KW  - Dispersion
KW  - Indiumphosphid
KW  - photonic crystals
KW  - waveguide
KW  - resonator
KW  - dispersion
KW  - indium phosphide
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21767
ER  - 
TY  - THES
A1  - Semmel, Julia Birgit
T1  - Herstellung von Quantenkaskadenlaserstrukturen auf InP und Entwicklung alternativer Bauteilkonzepte für den monomodigen Betrieb
T1  - Quantumcascadelaserstructures on InP and development of alternative device concepts for single-mode emission
N2  - Das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit ist die Konzeptionierung und Charakterisierung verschiedener innovativer Bauteildesigns zur Optimierung der spektralen sowie elektro-optischen Eigenschaften von Quantenkaskadenlasern. Die Quantenkaskadenlaserschichten, die diesen Konzepten zu Grunde liegen wurden im Rahmen dieser Arbeit mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und optimiert. Diese Optimierung machte auch die Realisierung von Dauerstrichbetrieb möglich. Dazu werden zunächst die grundlegenden Eigenschaften von den in dieser Arbeit verwendeten III-V-Halbleitern sowie des InP-Materialsystems erläutert. Für diese Arbeit ist dabei die Kombination der beiden ternären Verbindungshalbleiter InGaAs und InAlAs in einer Halbleiterheterostruktur von zentraler Bedeutung, aus denen die aktive Zone der hier vorgestellten Quantenkaskadenlaser besteht. Basierend auf dem zweiten Kapitel wird dann im dritten Kapitel auf das Zusammenspiel der einzelnen konkurrierenden strahlenden und nicht strahlenden Streuprozesse in einer Quantenkaskadenlaserstruktur eingegangen. Dabei wird die prinzipielle Funktionsweise eines solchen komplexen Systems an Hand eines 3-Quantenfilm-Designs erläutert. Das vierte Kapitel beschäftigt sich mit der Herstellung und Grundcharakterisierung der Laserstrukturen. Dabei wird kurz das Konzept der Molekularstrahlepitaxie erklärt sowie der Aufbau der verwendeten Anlage beschrieben. Da ein Betrieb der Bauteile im Dauerstrichbetrieb deren Anwendbarkeit in vielen Bereichen verbessert, wird im fünften Kapitel an Hand eines ausgewählten Strukturdesigns der Weg bis hin zur Realisierung des Dauerstrichbetriebs beschrieben. Des Weiteren wird auf einen besonderen Prozess zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der fertigen Bauteile eingegangen. Dieser sogenannte Doppelkanal-Stegwellenleiter-Prozess zeichnet sich dadurch aus, dass der entstehende Lasersteg seitlich durch zwei nasschemisch geätzte Gräben begrenzt wird.Die letzten drei Kapitel beschäftigen sich mit verschiedenen Bauteilkonzepten zur Optimierung der spektralen sowie elektro-optischen Eigenschaften der Quantenkaskadenlaser. In Kapitel sechs werden dabei Mikrolaser mit tiefgeätzten Bragg-Spiegeln zur Realisierung von monomodigem Betrieb vorgestellt. Im folgenden Kapitel werden Laser mit aktiven gekoppelten Ringresonatoren vorgestellt. Der gekoppelte Ring funktioniert dabei als Filter nach dem Vernier-Prinzip und ermöglicht so monomodigen Betrieb. Im letzten Kapitel stehen schließlich Quantenkaskadenlaser mit trapezförmigem Verstärkungsbereich im Mittelpunkt. Ziel dieses Teils der vorliegenden Arbeit war es die Ausgangsleistung der Bauteile zu erhöhen und dabei gleichzeitig die Fernfeldeigenschaften zu verbessern.
N2  - Central topic of this work is the fabrication and characterization of various quantum cascade laser structures. Different concepts for optimizing the spectral as well as the electro-optical properties of quantum cascade laser devices have been investigated. In the second chapter the basic properties of III-V-compound semiconductors and those of the InP-materialsystem are explained. The composition of the two ternary compound semiconductors InGaAs and InAlAs, of which the active region of the quantum cascade laser structures introduced in this work consists, is essential for this work. Based on the second chapter the third chapter deals with the interplay of the individual radiative and non-radiative scattering processes in a quantum cascade laser structure. The principle operation mode of such a complex system is explained using a 3-quantum-well-design as a model system. The fourth chapter focuses on the fabrication and basic characterization of the laser structures. The basic concept of molecular beam epitaxy is explained as well as the configuration of the used molecular beam epitaxy system. Continuous wave operation paves the way for a better applicability in most areas, where lasers in the mid-infrared wavelength regime are needed. Therefore in the fifth chapter the realization of continuous wave operation is shown using one of the grown laser structures as an example. Furthermore a special processing technique involving chemical wet etching is described, which promises an improved heat dissipation in the devices. In this double-channel process the laser ridge is laterally defined by two trenches, which after an insulating step are then filled with electroplated gold. The last three chapters concentrate on various device designs having the potential of optimizing the spectral as well as the electro-optical properties of the quantum cascade laser devices. Microlasers with deeply etched distributed Bragg reflectors in order to obtain single mode emission are introduced in chapter six. In the following chapter ridge waveguides devices with coupled active ring resonators that function as a filter following the Vernier-principle are introduced. With this approach single-mode emission is achieved. The last chapter finally focusses on quantum cascade lasers with tapered gain sections. This device concept allows for higher output powers and improved horizontal far-field properties as compared to regular ridge waveguides and in consequence an improved coupling efficiency.
KW  - Quantenkaskadenlaser
KW  - Indiumphosphid
KW  - Halbleiterlaser
KW  - Optoelektronik
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - semiconductor laser
KW  - quantumcascade laser
KW  - opto electronics
KW  - molecular beam epitaxy
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53483
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TY  - THES
A1  - Schwertberger, Ruth
T1  - Epitaxie von InAs-Quanten-Dash-Strukturen auf InP und ihre Anwendung in Telekommunikationslasern
T1  - Epitaxy of InAs quantum dash structures on InP and their application in telecommunication lasers
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von niedrigdimensionalen Strukturen für den Einsatz als aktive Schicht in InP-Halbleiterlasern. Quantenpunktstrukturen als Lasermedium weisen gegenüber herkömmlichen Quantenfilmlasern einige Vorteile auf, wie beispielsweise geringe Schwellenstromdichten, breites Verstärkungsspektrum und geringe Temperatursensitivität der Emissionswellenlänge. Ziel dieser Arbeit ist es, diese speziellen Vorteile, die im GaAs-System größtenteils nachgewiesen sind, auch auf das InP-System zu übertragen, da dieses für die Telekommunikationswellenlänge 1.55 µm prädestiniert ist. Die vorgestellten Strukturen wurden mittels einer Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie-Anlage unter Verwendung der alternativen Gruppe-V-Precursor Tertiärbutylphosphin (TBP) und -arsin (TBA) hergestellt. Die Bildung der Quantenpunktstrukturen wurde zunächst an Hand von Teststrukturen optimiert. Scheidet man InAs auf einem InP(100)-Substrat ab, so bilden sich – anders als auf GaAs – keine runden InAs-Quantenpunkte, sondern unregelmäßige, strichförmige Strukturen mit einer klaren Vorzugsorientierung, sogenannte Dashes. Verschiedene Wachstumsparameter, wie die Menge an deponiertem InAs, der Strukturaufbau oder der Wachstumsmodus, lassen eine Beeinflussung der Emissionseigenschaften zu, die mittels Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht wurden. So kann die Emissionswellenlänge der Dashes sehr genau und über einen großen Bereich zwischen 1.2 und 2.0 µm über die nominelle Dicke der Dash-Schicht festgelegt werden. Dieser Zusammenhang lässt sich auch nutzen, um durch die Kombination von Schichten unterschiedlicher Dash-Größe eine extreme Verbreiterung des Verstärkungsspektrums auf über 300 nm zu erzielen. Neben der Hauptanwendung als Telekommunikationslaser sind auch Einsatzmöglichkeiten in der Gassensorik für einen Wellenlängenbereich zwischen 1.8 und 2.0 µm denkbar. Dieser ist neben der Verwendung extrem dicker Schichten durch das Prinzip des migrationsunterstützten Wachstums (engl. migration enhanced epitaxy) oder durch die Einbettung der Dash-Schichten in einen InGaAs-Quantenfilm ("Dash-in-a-Well"-Struktur) realisierbar. Letzteres zieht eine starke Rotverschiebung um etwa 130 meV bei gleichzeitiger schmaler und intensiver Emission nach sich. Da die Dashes einige sehr interessante Eigenschaften aufweisen, wurde ihre Eignung als aktive Schicht eines InP-Halbleiterlasers untersucht. Zunächst wurden der genaue Schichtaufbau, speziell die Fernfeldcharakteristik, und die Wachstumsparameter optimiert. Ebenso wurde der Effekt eines nachträglichen Ausheilschritts diskutiert. Da die speziellen Vorteile der Quanten-Dash(QD)-Strukturen nur Relevanz haben, wenn auch ihre Grunddaten einem Quantenfilmlaser (QW-Laser) auf InP ebenbürtig sind, wurde besonderer Wert auf einen entsprechenden Vergleich gelegt. Dabei zeigt sich, dass die Effizienzen ebenso wie die Absorption der QD-Laser nahezu identisch mit QW-Lasern sind. Die Schwellenstromdichten weisen eine stärkere Abhängigkeit von der Länge des Laserresonators auf, was dazu führt, dass ab einer Länge von 1.2 mm QD-Laser geringere Werte zeigen. Die Temperaturabhängigkeit der Schwellenstromdichte, die sich in der charakteristischen Temperatur T0 äussert, zeigt dagegen für QD-Laser eine stärkere Sensitivität mit maximalen T0-Werten von knapp über 100 K. Betrachtet man das Emissionsspektrum der QD-Laser, so fällt die starke Blauverschiebung mit abnehmender Bauteillänge auf. Gleichzeitig zeigen diese Laser im Vergleich zu QW-Lasern eine deutlich größere Temperaturstabilität der Emissionswellenlänge. Beide Eigenschaften haben ihre Ursache in der flachen Form des Verstärkungsspektrums. Zusätzlich wurden einige der an Hand der Teststrukturen gezeigten Dash-Eigenschaften auch an Laserstrukturen nachgewiesen. So lässt sich durch Variation der Dash-Schichtdicke von 5 auf 7.5 ML eine Verschiebung der Emissionswellenlänge um bis zu 230 nm realisieren, wobei dieses Verfahren damit noch nicht ausgereizt ist. Ebenso wurde auch ein Überlapp aus sechs jeweils verschieden dicken Dash-Schichten in eine Laserstruktur eingebaut. An Hand von Subschwellspektren wurde eine Verstärkungsbreite von etwa 220 nm nachgewiesen, die eine Abdeckung des gesamten Telekommunikationsbandes durch eine einzige Laserstruktur erlauben würde. Aus Quanten-Dash-Material prozessierte Stegwellenleiter (RWG)-Laser weisen sehr vielversprechende Daten mit hohen Ausgangsleistungen bis 15 mW pro Facette und niedrigen Schwellenströmen auf. Damit schafft diese Arbeit die Grundvoraussetzungen, um InAs-Quanten-Dashes als echte Alternative zu herkömmlichen Quantenfilmen in InP-Halbleiterlasern zu etablieren. Besonders das breite Verstärkungsspektrum und die hohe Temperaturstabilität der Emissionswellenlänge zeichnen dieses Material aus.
N2  - In this work the fabrication and characterisation of low-dimensional structures that can be used as active regions in InP semiconductor lasers are presented. Compared to conventional quantum well lasers quantum dot material shows some advantages like low threshold current density, broad gain spectrum and low temperature sensitivity of the emission wavelength. Most of these special advantages have already been demonstrated in the GaAs system and should be transferred to the InP system which is the material of choice for the telecommunication wavelength 1.55 µm. The presented structures were grown in a gas source molecular beam epitaxy system using the alternative group-V-precursors tertiarybutylphosphine (TBP) and tertiarybutylarsine (TBA). In a first step the formation of the quantum dot-like structures was optimised in test samples. When InAs is deposited on an InP(100) substrate unlike on GaAs there are no circular InAs quantum dots formed, but irregular dash-like structures with a preferred orientation. Growth parameters like the amount of InAs deposited, the design of the structure or the growth mode allow an influence on the emission properties which were investigated by photoluminescence (PL) spectroscopy. Thus the emission wavelength of the dashes can be defined very accurately over a large region between 1.2 and 2.0 µm by varying the thickness of the dash layer. This dependence can be used to achieve an extreme broadening of the gain spectrum of over 300 nm by overlapping layers with different thicknesses. Beside the major application in telecommunication lasers the usage for gas sensing detectors in the wavelength range between 1.8 and 2.0 µm is also possible. In addition to the employment of extremely thick dash layers this region can be reached by the growth principle of migration enhanced epitaxy or by embedding the dash layers in an InGaAs quantum well in a so-called DWell structure. The latter involves a large red-shift of about 130 meV accompanied by a small and intense emission. With the dashes showing a very interesting behaviour their suitability as an active layer of an InP semiconductor laser needs to be investigated. The exact layer design, especially the farfield characteristic, and the growth parameters had to be optimised. Also the effect of a subsequent annealing step was discussed. As the special advantages of quantum dash (QD) lasers are only of importance if their basic data are comparable to a quantum well (QW) laser on InP much attention was paid to a corresponding comparison. It can be shown that the efficiencies and the absorption of the QD lasers are nearly similar to QW lasers. The threshold current densities have a stronger dependence on the resonator length resulting in lower values for quantum dash lasers above 1.2 mm cavity length. The temperature dependence of the threshold current density corresponding to the characteristic temperature T0 shows a stronger sensitivity for QD lasers with maximum T0 values of about 100 K. In the emission spectra of the dash lasers a strong blue-shift with decreasing device length is recognised. At the same time these lasers have a much larger temperature stability of the emission wavelength. Both effects have their reason in the smaller slope of the gain spectrum. Some of the dash properties shown for test structures were also demonstrated for laser structures. By varying the thickness of the dash layers from 5 to 7.5 MLs a shift of the emission wavelength of about 230 nm was realised bearing potential for an even further extension of this method. Also a stack of six dash layers all slightly different in thickness was embedded in a laser structure. Using subthreshold spectra a gain width of 220 nm was measured giving the opportunity to cover the whole telecommunication band with a single device. Ridge waveguide lasers processed from quantum dash material show promising results with high maximum output powers of up to 15 mW per facet and low threshold currents. This work creates the basis for establishing InAs quantum dash lasers as an alternative for conventional quantum well lasers in the InP system. Especially the broad gain spectrum and the high temperature stability of the emission wavelength distinguish this material.
KW  - Halbleiterlaser
KW  - Indiumphosphid
KW  - Indiumarsenid
KW  - Nanostruktur
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Optoelektronik
KW  - Halbleiterlaser
KW  - Epitaxie
KW  - Quanten-Dash
KW  - InP
KW  - optoelectronics
KW  - semiconductor laser
KW  - epitaxy
KW  - quantum dash
KW  - InP
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14609
ER  -