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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Technische Physik - Halbleiterphysik, Nanostrukturierung & Analytik  → Dissertationen 

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http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2014121946827

Titel: 1.55 µm High-Speed QDs Lasers for Optical Telecommunication Applications
Autor(en): Ivanov, Vitalii
Schlagworte (SWD): QuantenpunktlaserTelekommunikationDrei-Fünf-HalbleiterMolekularstrahlepitaxie
Klassifikation (DDC): 530 - Physik (Physics)
Erscheinungsdatum: 19-Dez-2014
Zusammenfassung: In this work investigation of the QDs formation and the fabrication of QD based semiconductor lasers for telecom applications are presented. InAs QDs grown on AlGaInAs lattice matched to InP substrates are used to fabricate lasers operating at 1.55 µm, which is the central wavelength for far distance data transmission. This wavelength is used due to its minimum attenuation in standard glass fibers. The incorporation of QDs in this material system is more complicated in comparison to InAs QDs in the GaAs system. Due to smaller lattice mismatch the formation of circular QDs, elongated QDs and quantum wires is possible. The influence of the different growth conditions, such as the growth temperature, beam equivalent pressure, amount of deposited material on the formation of the QDs is investigated. It was already demonstrated that the formation process of QDs can be changed by the arsenic species. The formation of more round shaped QDs was observed during the growth of QDs with As2, while for As4 dash-like QDs. In this work only As2 was used for the QD growth. Different growth parameters were investigated to optimize the optical properties, like photoluminescence linewidth, and to implement those QD ensembles into laser structures as active medium. By the implementation of those QDs into laser structures a full width at half maximum (FWHM) of 30 meV was achieved. Another part of the research includes the investigation of the influence of the layer design of lasers on its lasing properties. QD lasers were demonstrated with a modal gain of more than 10 cm-1 per QD layer. Another achievement is the large signal modulation with a maximum data rate of 15 Gbit/s. The implementation of optimized QDs in the laser structure allows to increase the modal gain up to 12 cm-1 per QD layer. A reduction of the waveguide layer thickness leads to a shorter transport time of the carriers into the active region and as a result a data rate up to 22 Gbit/s was achieved, which is so far the highest digital modulation rate obtained with any 1.55 µm QD laser. The implementation of etch stop layers into the laser structure provide the possibility to fabricate feedback gratings with well defined geometries for the realization of DFB lasers. These DFB lasers were fabricated by using a combination of dry and wet etching. Single mode operation at 1.55 µm with a high side mode suppression ratio of 50 dB was achieved.In der vorliegenden Arbeit werden die Formation von Quantenpunkten sowie die Herstellung von Halbleiterlasern für Anwendungen in der optischen Telekommunikation untersucht und vorgestellt. InAs Quantenpunkte werden auf AlGaInAs gitterangepasst zu InP abgeschieden und in Halbleiterlasern mit einer Wellenlänge von 1,55 µm verwendet. Wegen der geringen Absorption optischer Fasern wird diese Wellenlänge in der optischen Datenübertragung genutzt. Die Nutzung von Quantenpunkten in diesem Materialsystem ist deutlich komplexer als z.B. im Falle von InAs Quantenpunkten im GaAs Materialsystem. Auf Grund der geringeren Gitterfehlanpassung ist die Abscheidung von sowohl runden, aber auch verlängerten Quantenpunkten und Quantendrähten möglich. Der Einfluss verschiedener Wachstumsparameter wie Temperatur, Strahldruck, Menge abgeschiedenen Materials auf die Entstehung der Quantenpunkte ist untersucht worden. Es konnte bereits gezeigt werden, dass das Wachstumsverhalten der Quantenpunkte durch die verwendete Arsenspezies beeinflusst werden kann. Die Entstehung eher runder Quantenpunkte beim Einsatz von As2 im Gegensatz zu strich-artigen Strukturen bei As4 wurde bereits nachgewiesen. In dieser Arbeit wird daher nur As2 eingesetzt. Verschiedene Wachstumsparameter wurden untersucht, um die optischen Eigenschaften wie die Photolumineszenz-Linienbreite zu optimieren und derartige Quantenpunkt-Ensembles als aktives Medium in Laser-Strukturen zu integrieren. Dabei konnte eine Photolumineszenz-Halbwertsbreite von 30 meV erreicht werden. Im weiteren wurde das Schichtdesign des Lasers und der Einfluss auf die Eigenschaften des Lasers untersucht. Quantenpunktlaser mit einer modalen Verstärkung von 10cm-1 pro Quantenpunktschicht wurden neben einer Großsignalmodulation von 15 Gbit/s bereits demonstriert. Die Integration optimierter Quantenpunkte in das Laserdesign erlaubte eine Erhöhung der modalen Verstärkung auf 12 cm-1 pro Quantenpunktschicht. Eine Reduktion der Dicke des Wellenleiters führte zu einer geringeren Transportzeit der Ladungsträger in die aktive Zone. Mit derartig optimierten Bauteilen konnten Großsignalmodulationsraten von 22 Gbit/s erzielt werden. Dies stellt die bisher höchste erreichte digitale Modulationsrate für 1.55 µm Quantenpunktlaser dar. Die Integration einer Ätzstoppschicht in die Laserstruktur erlaubte die Herstellung von oberflächenbasierenden DFB Gittern wohl-definierter Geometrie. DFB Laser konnten mittels einer Kombination von nass- und trockenchemischem Ätzen hergestellt werden. Die Laser arbeiten auf einer einzelnen longitudinalen Mode bei 1,55 µm mit Seitenmodenunterdrückungen von bis zu 50 dB.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2014121946827
Sammlung(en):Dissertationen

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