Titelaufnahme

Titel
Impact of waveguide input coupling on vertical cavity surface emitting laser diodes / Stefan Schwarz
VerfasserSchwarz, Stefan
Begutachter / BegutachterinSchmid, Gerhard ; Leeb, Walter
Erschienen2009
UmfangXI, 86 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2009
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)VCSEL / vertikal oberflächen-emittierende Laser / externe, optisch Rückkopplung / optoelektronische Leiterplatten / optische Wellenleiter
Schlagwörter (EN)VCSEL / Vertical cavity surface emitting laser / external optical feedback / opto-electronic printed circuit board / optical waveguide
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-37151 Persistent Identifier (URN)
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Impact of waveguide input coupling on vertical cavity surface emitting laser diodes [8.23 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit physikalischen Effekten zu Folge externer, optischer Rückkopplung, die sich auf den Ausgangsstrahl eines Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL) auswirken. Eine derartige Rückkopplung kann beispielsweise durch Reflexionen am Beginn eines optischen Wellenleiters (durch Änderungen des optischen Brechungsindex) hervorgerufen werden. Weiters wird im Zuge der Arbeit untersucht welchen Einfluss derartige Effekte auf die Wellenleiter-koppelbare Lichtleistung, auf optoelektronischen Leiterplatten, haben.

Den Ausschlag für diese Arbeit gaben Messungen, die am Institut auf solchen optoelektronischen Leiterplatten durchgeführt wurden und starke Oszillationen der Ausgangsleistung des Wellenleiters über der Temperatur gezeigt haben. Diese Messungen werden in Kapitel 1 näher beschrieben.

Kapitel 3 zeigt, dass solche Oszillationen über der Temperatur nicht von der Laser Diode selbst erzeugt werden, sondern durch eine Interaktion mit der Umgebung hervorgerufen werden. In der entsprechenden Literatur gibt es klare Hinweise, dass optische Rückkopplung zu oszillatorischem Ausgangsverhalten des Lasers führen kann, sofern das rückgekoppelte Licht kohärent zum Licht innerhalb der Laser Diode ist und sich die gegenseitige Phasenlage der beiden ändert. Theoretische Ergebnisse aus unterschiedlichen Literaturstellen sind in Kapitel 2 zusammengefasst. In diesem Kapitel wird auch näher auf die theoretische, mathematische Beschreibung von VCSELn eingegangen.

In Kapitel 3 findet eine messtechnische Charakterisierung der Oberflächen-emittierenden Laser Diode statt. Messergebnisse sowohl statischer als auch dynamischer Messungen werden präsentiert, die klare Veränderungen im Ausgang des VCSELs mit der Stärke des injizierten Stromes und der Modulationsfrequenz zeigen. Weiters wird gezeigt, dass es eine Entsprechung zwischen den einzelnen Spektrallinien im Ausgang des Lasers und Laser-internen, transversalen optischen Moden gibt.

Daraus folgt, dass Veränderungen im Spektrum der Laser Diode äquivalent sind zu Veränderungen in der Leistungsverteilung der transversalen Moden und auch zu entsprechenden Variationen des transversalen Strahlprofils des Lasers. Auch das thermische Verhalten der Laser Diode wird in diesem Kapitel untersucht, mit dem Ergebnis, dass sich zwar das Spektrum des Lasers mit der Temperatur verändert, dieses Verhalten jedoch nicht oszillatorischer Natur ist.

Kapitel 4 beschreibt alle Messungen, die zur Untersuchung des Einflusses von externer, optischer Rückkopplung durchgeführt wurden. Zunächst wird beschrieben welche Auswirkungen inkohärente Rückkopplung zeigt, wobei sich herausstellt, dass keine Oszillationen der Leistung oder des Spektrums des VCSEL Ausgangs, weder mit der Stärke noch mit der Phase des rückgekoppelten Lichts, erzeugt werden können. Deshalb wird danach der Einfluss von kohärenter, externer Rückkopplung untersucht. Hier zeigt sich ein periodisches Verhalten des Ausgangsspektrums (und damit der modalen Leistungen) der Laser Diode mit der Phase des extern rückgekoppelten Lichts, jedoch nur eine vernachlässigbare Beeinflussung der gesamten Ausgangsleistung. Das führt zu der Annahme, dass ein Moden filterndes Element nötig ist, welches Veränderungen in der modalen Leistungsverteilung in entsprechende Variationen der Gesamtleistung umsetzt. Es wird gezeigt dass Glasfasern diese Aufgabe übernehmen können, woraus geschlossen wird, dass auch dieWellenleiterstrukturen auf den optoelektronischen Leiterplatten als Modenfilter fungieren können und somit, in Verbindung mit externer Rückkopplung, Grund für die in Kaptiel 1 beschriebenen Leistungsoszillationen sein können.

Kapitel 5 letztlich fasst die Ergebnisse noch einmal zusammen und wirft ein Licht auf noch offene Fragen.

Zusammenfassung (Englisch)

This diploma thesis deals with physical effects in the light output of a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) diode caused by external optical feedback. Such feedback might be induced by reflections from the beginning of a optical waveguide due to a connected refractive index step. The thesis also investigates the influence on waveguide coupled power on opto-electronic waveguide boards due to external feedback caused variations in the laser output.

The work was initiated by measurements on opto-electronic waveguide boards, carried out at the institute, showing strong waveguide output power oscillations over board temperature. These measurements are reported in Chapter 1. Chapter 3 shows that such oscillatory behavior cannot be attributed to the laser diode as an intrinsic property, but must be the result of an interaction with the environment. A literature search showed that external optical feedback can be the source of oscillations in the laser output, if the feedback is coherent to the laser internal light and the relative phase between the two varies. The theoretical results found in literature are summarized in Chapter 2.

This Chapter also provides a short introduction into the theory of VCSELs.

Chapter 3 investigates the laser diode in detail. Results of static as well as dynamic measurements are reported showing changes in VCSEL output spectrum with drive current and modulation frequency. A connection between spectral lines and transversal VCSEL internal cavity modes is established in this Chapter, showing that every spectral line corresponds to a different mode. Therefore changes in the spectrum are equivalent to variations in the transversal modal power distribution or equivalently in the transversal beam intensity distribution. It is also looked into the temperature behavior of the device, showing variations in the laser spectrum and total power with temperature, but no oscillatory behavior.

All external optical feedback measurement results are reported in Chapter 4. It is first shown that incoherent feedback has a strong influence on the laser output spectrum and power, but without any oscillations when varying the feedback phase or strength. Therefore coherent feedback is investigated afterwards, showing oscillatory variations in the laser spectrum with feedback phase, but no change in total output power. That leads to the assumption that a modal filtering element is necessary to translate the variations in the VCSEL transversal intensity distribution into corresponding total power variations after the filter. It is shown that a fiber and therefore also the waveguide in the opto-electronic waveguide boards can act as such an element and explain the power oscillations of the waveguide output light reported in Chapter 1.

Finally Chapter 5 concludes the results and casts a light onto questions that could not be answered and would need further investigation.