1.3 μm Distributed-Feedback Lasers and Electro-Absorption Modulators based on (InGa)As Quantum Dots
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Beschreibung
Die schnell fortschreitende Entwicklung im Bereich der optischen Datenübertragung und die exponentielle Steigerung der zu übertragenden Datenmengen erfordern immer neue Bauelemente und Modulationskonzepte. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden drei verschiedene (InGa)As-Quantenpunkt(QP)-basierte photonische Bauelemente für den 1.31 μm Wellenlängenbereich für Übertragungsstrecken bis 100 km entwickelt und deren Eignung für verschiedene Modulationsformate untersucht: QP Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB), QP Elektroabsorptionsmodulatoren (EAM) und deren monolithische Integration in QP elektroabsorptionsmodulierte Laser (EML).
Diese profitieren von Quantenpunkten als Gewinnmaterial, deren Vorteile innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte in diversen Laserstrukturen demonstriert wurden. Auf der Grundlage verschiedener Simulationen statischer und dynamischer Bauelementeigenschaften werden die epitaktischen und horizontalen Chipdesignparameter festgelegt. Für die QP DFB Laser führen statische Wellenleiter- und DFB Gittersimulationen, sowie epitaktische Randbedingungen, zur Einführung von InGaP als oberes Mantelschichtmaterial und als Barriere zwischen Gitter und Wellenleiter. Die Laserdynamik wird mit Hilfe eines semimikroskopischen Ratengleichungsmodels zur Vorhersage des Groß-Signalverhaltens unter On-Off-Keying (OOK) und Vier-Level-Amplitudenmodulation (PAM-4) simuliert und die Ergebnisse experimentell bestätigt. Die Eignung von QPs in EAMs kann mithilfe von Simulationen von QP Energiezuständen in einem variablen externen elektrischen Feld und der daraus resultierenden Rotverschiebung von bis zu 15 nm, gezeigt werden. Die grundlegende Neuentwicklung solcher EAM und DFB Bauelemente erfordert umfangreiche Optimierungs- und Entwicklungsprozesse im epitaktischen Design, der Waferprozessierung und der Chipfabrikation. Insbesondere die Herstellung und das darauffolgende epitaktische Überwachsen des DFB Gitters oberhalb von QP Strukturen stellen eine Herausforderung dar. Für die vollständige Charakterisierung der verschiedenen Bauelemente wird ein Messaufbau realisiert, welcher die hohen Anforderungen an die Messstabilität berücksichtigt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird einer der ersten rein index-gekoppelten QP Laser mit vergrabenen DFB Gitter realisiert. Mit einer optischen Leistung von bis zu 35 mW, 27 % differentieller Quanteneffizienz und bis zu 60 dB Seitenmodenunterdrückung bei Wellenlängen um die 1.31 μmerfüllen die Laser die statischen Anforderungen aktueller und zukünftiger optischen Netzwerke. Aufgrund des QP-typischen breiten Gewinnspektrums kann mit dem identischen Gewinnmaterial ein 60 nm breiter Wellenlängenbereich, d.h. annähernd das gesamte 0-Band, abgedeckt werden. Verschiedene Groß-Signal Übertragungsexperimente, unter Anwendung verschiedener einfacher und höherer Modulationsformate, werden erstmalig an den entwickelten QP Bauelementtypen durchgeführt. Unter einfacher OOK Modulation wird die bislang höchste fehlerfreie Datenübertragungsrate von 15 Gb/s mit QP DFB Lasern erreicht. Erstmals wird eine Datenübertragung mittels direkter 4-Level-Amplitudernnodulation (PAM-4) mit einer Datenrate von 16 Gb/s demonstriert. Der Betrieb im Bereich der Gewinnsättigung führt zum ersten QP Laser unter differentieller Phasenmodulation (DPSK). Eine fehlerfreie Übertragungsrate von 10 Gb/s wird erreicht. Zum ersten Mal wird ein QP DFB Lasersignal extern differentiell quaternär phasenmoduliert (DQPSK), wobei eine fehlerfreie Übertragung von 80 Gb/s erreicht wird. Zusammen mit den Wellenleitersimulationen für die QP DFB Laser wird ein neues Konzept zur THz-Signal-Erzeugung vorgestellt, wobei ein stabiler Zweimodenbetrieb mit einem Modenabstand von 0.33 THz in einem einzelnen DFB Laser präsentiert wird. Der hier vorgestellte QP EAM erreicht ein Extinktionsverhältnis von über 17 dB. Zum ersten Mal werden an einem solchen Bauelement dynamische Untersuchungen durchgeführt, wobei eine Groß-Signal-Eignung von 12.5 Gb/s demonstriert wird. Die monolithische Integration beider Bauelemente, QP DFB und EAM, führen zum ersten QP EML. Während die Datenübertragungsrate mit 6 Gb/s im Elektromodulationsbetrieb aufgrund von optischen Rückkopplungseffekten noch relativ gering ist, können im Betrieb als passiver Rückkopplungslaser (PFL) Datenraten von bis zu 20 Gb/s erreicht werden. Neben der Verwendung als Transmitter, wird die Eignung der QP DFB Laser für die optische Signalprozessierung untersucht. In Experimenten zur Vierwellenmischung (FWM) unter optischer Injektion werden Wellenlängenkonversionen über 6 nm mit einer Effizienz von -30 dB demonstriert. Während die Groß-Signal-Konversion in QP Lasern mit Hilfe von FWM nicht möglich ist, kann über Kreuzgewinnmodulation (XGM) eine Konversion über 1.6 nm bei einer Datenrate von 10 G b / s erstmalig gezeigt werden.
Autor*in
Mirko Stubenrauch
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