Date
2018-12Metadata
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Dissertation
Multilayer Thin-film Structures with Distributed Cavity for Optical Filter and Laser Applications
(Dünnschichtstrukturen mit verteilter Kavität für optische Filter- und Laseranwendungen)
Abstract
This work is aimed at the development of a fabrication process for realization of a chirped filter based laser device (called as coreSEL). Conventional vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are based on Fabry-Pérot arrangement where the electric field of the resonant mode is mainly located in the cavity region (center) and often causes undesired effects such as mode-jumps. However, coreSEL is based on chirped optical filter which offers a resonant mode with wider spatial distribution of the electric field owing to the distribution of the cavity over several layers of the stack. A coreSEL structure design is comparable to a short optical fiber, where an active material forms a cylindrical core surrounded by a chirped filter-cladding. CoreSEL is expected to offer high output power with less susceptibility to the mode-jumps. However, fabrication of the proposed device requires a complex multi-step fabrication process. In this work, a complete fabrication process for coreSEL device is developed and each step is investigated and optimized. Suitable dielectric materials and deposition technology are investigated to realize the designed chirped filter. A part of the research is focused on vertical structuring of the chirped filter using dry etching to obtain a hollow core. The effects of various dry etching parameters are investigated to develop an etching recipe to achieve precise device dimensions. Furthermore, challenges related to infiltration of hollow core with an active material are investigated and a stable infiltration mechanism is presented. Finally, optical characterization results of the fabricated coreSEL device are presented and discussed.
Das Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Herstellungsprozesses zur Produktion eines auf dem gechirpten Filter basierenden Lasers (namentlich coreSEL). Konventionelle oberflächenemittierende Laser (VCSEL) beruhen auf dem Fabry-Pérot Konzept des optischen Filter. Diese Laser sind jedoch häufig störanfällig gegenüber Modensprünge, die durch das elektrische Feld der resonanten Mode, welches sich hauptsächlich in der Laserkavität (zentrale Dünnschicht) konzentriert, verursacht werden. Dem gegenüber steht der coreSEL, dessen gechirpter optischer Filter das elektrische Feld der resonanten Mode räumlich breiter aufweitet, was zur Vergrößerung der Laserkavität über mehrere Dünnschichten führt. Der strukturelle Aufbau des coreSEL ähnelt dem einer kurzen optischen Faser. Der zylindrische Kern aus aktivem Material wird von einem Mantel, bestehend aus einem gechirpten Filter, umschlossen. Die Implementierung des gechirpten Filters und die strukturelle Anordnung von aktivem Material und Filter sollen hohe Leistungsabgaben bei geringer Störanfälligkeit gegenüber Modensprüngen gewährleisten. Der geschilderte Aufbau erfordert einen komplexen mehrschrittigen Herstellungsprozess, der in dieser Dissertation Schritt für Schritt vollständig entwickelt und optimiert wird. Zu Beginn werden geeignete Dielektrika, sowie Abscheidungsverfahren zur Herstellung des gechirpten Filters untersucht. Anschließend soll der gechirpte Filter mittels Trockenätzen vertikal strukturiert werden, sodass freistehende Hohlzylinder entstehen. Hierbei wird der Einfluss von diversen Prozessparametern analysiert und präzise optimiert, um akkurate Hohlzylinder zu ätzen. Des Weiteren wird ein möglicher Infiltrationsmechanismus zum Auffüllen des Hohlzylinders mit aktivem Material präsentiert, der den ausgearbeiteten Anforderungen reproduzierbar entspricht. Abschließend folgt die optische Charakterisierung des hergestellten coreSEL und die Diskussion der Ergebnisse daraus.
Citation
@phdthesis{doi:10.17170/kobra-20190205177,
author={Taimoor, Muhammad},
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