Μελέτη ημιαγωγών λέϊζερ συντονιστών μικροδακυλίου για την υλοποίηση φωτονικών λειτουργιών σε αμιγώς οπτικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα

Abstract

In this thesis, we study the optical characteristics of active microring resonators as lasers. Semiconductor Microring Lasers (SMLs) are attractive candidates for optoelectronic integrated circuits (OEICs) as they combine simple fabrication, small footprint and high spectral purity. In this thesis the case of a semiconductor microring laser coupled to a bus waveguide is investigated. The scope of this study is to examine the microring’s laser operation and also emphasize in the influence of the key design parameters on single mode and/or unidirectional operation, both being of major concern for future microring-based lightwave system applications. In the first part an analytic multimode model for the simulation of 1.55 pm InGaAsP-lnP microring laser’s dynamics is presented. The model is based on the rate equation approximation. A detailed characterization is performed including calculated optical spectra and time traces. Different operation regimes are observed: bidirectional multimode with/without alternate oscillations, unidirectional single mode, bidirectional single mode and mode hopping. The boundaries of the above operating regimes are investigated with respect to the ring current level, the bus waveguide reflectivity and the ring radius. Moreover, the Relative Intensity Noise spectra are extracted since the RIN value can be a critical parameter and limit the performance of optoelectronic circuits. In the second part of this thesis an experimental verification of the numerical results is presented. The SMLs that are examined belong to the large ring racetrack cavity category. The scope of the experimental investigation is to examine the various operation regimes of SMLs. A complete study is performed varying the ring radius, the microring’s biasing current by observing the optical spectra and time traces and the P-l curves. Moreover, the mode hopping phenomena are measured and presented through the time traces spectra and the Relative Intensity Noise spectra. Also in this thesis is for the first time presented experimentally an alternative method of controlling the bus waveguide facet residual reflectivity by varying the bus waveguide’s current.

Σε αυτή τη διατριβή μελετούμε τα οπτικά χαρακτηριστικά ενεργών συντονιστών μικροδακτυλίων ως πομπούς laser. Τα λέιζερ μικροδακτυλίου αποτελούν εναλλακτική πρόταση για την κατασκευή πηγών για τα μελλοντικά οπτοηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (OEICs) καθώς συνδυάζουν απλή κατασκευή και μικρό μέγεθος. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκαν οι διατάξεις λέιζερ συντονιστών μικροδακτυλίου συζευγμένοι με ευθύ κυματοδηγό. Η μελέτη έχει ως σκοπό να δώσει έμφαση στην επίδραση των βασικών σχεδιαστικών παραμέτρων των λέιζερ μικροδακτυλίου όπως η ακτίνα του δακτυλίου, ο συντελεστής σύζευξης του δακτυλίου με τον ευθύ κυματοδηγό, ο λόγος οπισθοανακλώμενης ισχύος από τις έδρες του ευθύ κυματοδηγού και του ρεύματος πόλωσης της διόδου στην μονότροπη και/ή μονόδρομη λειτουργία των συγκεκριμένων διατάξεων. Αποτέλεσμα της διερεύνησης αυτής είναι η σύνθεση μιας συνολικής εικόνας για τις ιδιότητες των διόδων λέιζερ συντονιστών μικροδακτυλίου όπως επίσης και για τον προσδιορισμό των βέλτιστων σχεδιαστικών χαρακτηριστικών που απαιτούνται για την πιθανή χρησιμοποίηση τους ως πομπούς σε οπτοηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα Στο πρώτο μέρος της εργασίας παρέχεται αναλυτικά ένα πλήρες αριθμητικό μοντέλο περιγραφής των λέιζερ συντονιστών μικροδακτυλίου συζευγμένα με έναν ευθύ κυματοδηγό βασισμένο για πρώτη φορά σε πολύτροπες εξισώσεις ρυθμού. Με το μοντέλο που αναπτύχθηκε περιγράφονται τα φασματικά χαρακτηριστικά της διόδου, και διερευνώνται οι διαφορετικές περιοχές λειτουργίας του λέιζερ μικροδακτυλίου. Οι περιοχές αυτές έχουν να κάνουν τόσο με την κατεύθυνση εκπομπής του λέιζερ: αμφίδρομη λειτουργία (Bidirectional operation) και μονόδρομη λειτουργία (Unidirectional operation) όσο και με την πολύτροπη (Multimode operation) και την μονότροπη λειτουργία (Single mode operation) των λέιζερ συντονιστών μικροδακτυλίου. Επιπλέον των παραπάνω μελετήθηκε η εικόνα θορύβου των λέιζερ μικροδακτυλίου. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της φασματικής κατανομής του σχετικού θορύβου έντασης (RIN) των διατάξεων λέιζερ μικροδακτυλίου, καθώς η απόδοση της προτεινόμενης διάταξης σε εφαρμογές οπτικών εκπομπών θα καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την χαμηλή τιμή του RIN. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας αυτής πραγματοποιείται η πειραματική επιβεβαίωση των θεωρητικών αποτελεσμάτων. Η πειραματική διερεύνηση έχει ως στόχο την διερεύνηση των διαφορετικών περιοχών λειτουργίας των λέιζερ όπως αναφέρθηκαν και παραπάνω. Η ακτίνα των δακτυλίων παίζει ιδιαίτερα ουσιαστικό ρόλο στην εμφάνιση των παραπάνω περιοχών λειτουργίας και γι’ αυτό μελετήθηκαν δακτύλιοι με διαφορετικές ακτίνες. Η διερεύνηση των περιοχών λειτουργίας των λέιζερ έγινε μέσω των οπτικών φασμάτων εκπομπής, των φασμάτων χρονικής εξέλιξης, των χαρακτηριστικών καμπύλών ισχύος εξόδου συναρτήσει του ρεύματος (Ρ-Ι), Επιπλέον διερευνήθηκε το φαινόμενο της μεταπήδησης τρόπων όταν τα λέιζερ μικροδακτυλίου βρίσκονται σε περιοχή πολύτροπης λειτουργίας. Στην διατριβή το φαινόμενο μελετήθηκε μέσω τον φασμάτων χρονικής εξέλιξης και της μελέτης της φασματικής εικόνας του σχετικού θορύβου έντασης (RIN). Επιπλέον των παραπάνω, προτείνεται για πρώτη φορά πειραματικά ένας εναλλακτικός τρόπος ελέγχου του λόγου οπισθοανακλώμενης ισχύος από τις έδρες μέσω ελέγχου του ρεύματος πόλωσης του ενεργού ευθύ κυματοδηγού