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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Technische Elektronik  → Dissertationen 

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http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-200602226969

Titel: Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization
Autor(en): Tarraf, Amer
Klassifikation (DDC): 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Erscheinungsdatum: 22-Feb-2006
Zusammenfassung: The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.Zusammenfassung Die faseroptische Datenübertragung hat sich als äußerst vielversprechendes Verfahren erwiesen, um den steigenden Ansprüchen der sich rasant entwickelnden Informationstechnik gerecht zu werden. Dies trifft besonders auf die Übertragungsbandbreite und -bitrate zu. Die Übertragungsbandbreite des bereits vorhandenen Einkanalsystems reicht jedoch nicht aus, um den steigenden Bedarf an Datenübertragung zu decken. Die Wellenlängenmultiplextechnik (engl. dense wavelength division multiplexing, DWDM) ermöglicht eine Erhöhung der Übertragungskapazität dieser Faserstrecken, ohne dass zusätzliche Faserverlegungen notwendig sind. Für neuartige DWDM-Systeme bieten abstimmbare vertikale mikro-opto-elektro-mechanische (engl. micro-opto-electro-mechanical, MOEM) Bauelemente entscheidende Vorteile. Zu diesen Bauelementen zählen auf der Sendeseite Vertikalresonator emittierende Luftspalt-Laser (engl. air-gap vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) und empfängerseitig Luftspalt-Filter und Luftspalt-Photodetektoren (engl. air-gap filter, air-gap receiver). Herkömmliche kantenemittierende Laserdioden weisen Chip-Faser Koppelverluste und eine große Divergenz des austretenden Lichts auf. Oberflächenemittierende Mikrolaser mit vertikalem Resonator (VCSEL) ermöglichen demgegenüber eine verbesserte Koppeleffizienz in eine Glasfaser durch geringere Divergenz, symmetrische Modenprofile und eine flexible laterale Strukturierung der Austrittsfläche des Lasers. Im Einsatz befindliche DWDM-Systeme benötigen bis zu 80 Laserdioden mit unterschiedlichen Trägerwellenlängen auf der Sendeseite und ebenso viele Photodetektoren auf der Empfangsseite. Für diese DWDM-Netze werden abstimmbare Bauelemente benötigt, um auf die Ausfälle einzelner Kanäle flexibel reagieren zu können. Die Abstimmung der Laserdioden und Filter erfolgt in dem in dieser Arbeit verfolgten Konzept durch eine Änderung der Resonatorlänge, realisiert durch thermische oder kapazitive mikromechanische Aktuation einer der beiden Resonatorspiegel. Obwohl dieses Konzept erhebliche Vorteile in sich bringt, ist die Serienfertigung solcher Bauelemente bislang immer noch eine technologische, wissenschaftliche und finanzielle Herausforderung. Ein Schlüsselaspekt ist dabei die gezielte Einstellung optischer und mechanischer Eigenschaften aktuierbarer Bragg-Reflektoren. Dabei wird die Krümmung der beweglichen Membran gezielt durch eine Verspannung der einzelnen Bragg-Schichten eingestellt. Dies geschieht, ohne die optischen Eigenschaften des Bauelementes negativ zu beeinflussen. Die Entwicklung einer kostengünstigen Implementierungstechnologie ist ebenso eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Serienfertigung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dieser Problematik und bearbeitet systematisch zwei Themenbereiche: · Die Untersuchung der Verspannung und deren Einfluss auf die Membrankrümmung und darausfolgend auf die optischen Eigenschaften des Resonators. · Die Herstellung und Charakterisierung von mikromechanisch abstimmbaren Bauelementen durch eine gezielte Stresseinstellung der oberen Membran. Zunächst untersucht die vorliegende Arbeit das plasmaunterstützte Abscheideverfahren (engl. plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) und diskutiert die daraus resultierenden Ergebnisse. Die Abscheidung beeinflussende Parameter, wie Gasfluss, Druck, Temperatur, etc. besitzen einen starken Einfluss auf die optischen Eigenschaften (Brechungsindex und Absorption), jedoch kaum auf die Verspannung. Durch eine Modulation der Plasmaanregungsfrequenzen des Abscheideverfahrens kann hingegen eine gezielte Verspannungseinstellung der dielektrischen Bragg-Schichten erreicht werden. Die Untersuchung dieser Verspannung erfolgte parallel mit einem Verfahren, das die Verspannung im makroskopischen Bereich erfasst sowie mit einer Methode, die die Mikroverspannung analysiert. Die Makroverspannung ergibt sich jeweils aus der Messung der Krümmung vor und nach der Beschichtung eines Wafers. Daraus resultiert eine Kenngröße, welche über die gesamte Länge entlang einer Richtung auf dem Wafer gemittelt wird. Diese Methode erlaubt allerdings keine Ortsauflösung der Verspannung. Aber gerade dies ist besonders bedeutend für die Mikrokomponenten, die sich an unterschiedlichen Orten auf dem Wafer befinden. Die Mikroverspannung wird in dieser Arbeit mit Mikrostrukturen analysiert, welche durch einen oberflächenmikromechanischen Prozess (engl. surface micromachining) mit konventionellem Photolack als Opferschicht hergestellt wurden. Beide Methoden wurden verglichen und auf ihre Relevanz untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Plasmaanregungsfrequenz eine wesentliche Rolle bei der Verspannungseinstellung von Siliziumnitrid spielt. So wurden mit Siliziumnitrid (300°C) Makroverspannungen zwischen -300MPa (Zugverspannung) und +850MPa (Druckverspannung) erreicht. Bei niedrigen Temperaturen (60°C) weist die Verspannung von Siliziumnitrid ähnliche Zusammenhänge auf, während die Verspannung von Siliziumdioxid in beiden Temperaturbereichen nur eine sehr schwache Frequenzabhängigkeit zeigt. Die Untersuchung der Mikroverspannung bestätigte die Ergebnisse der Makroverspannungsuntersuchung. Weiterhin ist der Einfluss der Verspannung auf die Krümmung der Membran und deren Auswirkung auf die Geometrie des Resonators systematisch untersucht worden. Dank dieser Erkenntnisse ist es gelungen, gezielte Membranformen (konkav, konvex und planar) mit verschiedenen Krümmungsradien zu entwickeln um damit diverse Resonatorgeometrien zu realisieren. Zahlreiche nicht abstimmbare und abstimmbare Bauelemente mit einer angepassten Resonatorgeometrie konnten im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden. Die realisierten Fabry-Pérot Filter mit einem Luftspalt und einer gekrümmten Membran weisen eine spektrale Spannweite von über 200nm und Linienbreiten bis 1.5nm auf. Mit derselben Technologie wurden im Rahmen einer engen Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Darmstadt (Fachgebiet Optische Nachrichtentechnik) und dem Königlichen Technologischen Institut in Schweden (KTH) neuartige abstimmbare optische Bauelemente wie Fabry-Pérot Filter, VCSEL und Photodetektoren angefertigt. Der monolithische Fabry-Pérot Filter ist thermoelektrisch durch mäanderförmige Mikrowiderstände aus Chrom abstimmbar, welche auf die gekrümmten Membran aufgebracht sind. Dabei wurde ein Abstimmbereich von 15nm bei 1mA Stromfluss und 2kW Chrom-Dünnfilmwiderstand erzielt. Durch eine gezielte Verspannungseinstellung und die sich ergebende Krümmung der oberen Membran eines abstimmbaren VCSELs konnte der fundamentale Mode gezielt unterstützt und so eine hohe Nebenmodenunterdrückung erreicht werden. Der realisierte Laser besitzt einen Abstimmbereich von über 26nm und eine Seitenmodeunterdrückung von 57dBm. Durch eine Kombination eines abstimmbaren Fabry-Pérot Filters mit einem Photodetektor, ist ein spektral selektiver Empfänger für DWDM Systeme entstanden. Hier konnte eine Abstimmbarkeit der spezifischen Empfindlichkeit (0.3A/W) über den freien Spektralbereich (> 35nm) hinaus mit einer Einfügedämpfung von 3.5dB demonstriert werden. Die mit dieser Technologie erzielten Ergebnisse dienten als Motivation, um neue Materialien und Ansätze zu untersuchen. So wurde ein organisch lichtemittierendes Material (Makromoleküle) in eine Mikrokavität erfolgreich eingesetzt und eine Linienbreitenverengung erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, Verspannungen gezielt einzustellen, um beliebige Resonatorgeometrien anzufertigen. Abstimmbare Mikrokavitäts-Bauelemente mit optimierten Resonatoren wurden so erfolgreich demonstriert. Die Technologie auf PECVD-Basis bildet dabei die Grundlage eines kostengünstigen Produktionsprozesses. Erwähnt sei an dieser Stelle ein redaktioneller Bericht über Teile dieser Arbeit in "Photonics Spectra" (Juni 2004), der das internationale Interesse an diesem Forschungsthema dokumentiert. Weitere Vertiefungen dieser Arbeit könnten zu einer Industrialisierung dieser Technologie führen und dadurch zur Massenproduktion kostengünstiger Mikrokavitätsbauelemente wie beispielsweise ein monolithischer abstimmbarer elektrisch gepumpter VCSEL. Ein Schwerpunkt weiterer Forschungen könnte die Herstellung von passiven und aktiven organisch basierenden abstimmbaren Elementen sein, welche in verschiedenen Bereichen wie der Sensorik, der Medizintechnik und der Unterhaltungstechnologien eingesetzt werden könnten.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-200602226969
Sammlung(en):Dissertationen

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