Citation:
Ristanic, D. (2015). Optoelectronics integration : on-chip infrared sensors [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/78766
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Publication Type:
Thesis - Dissertation
en
Language:
English
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Date (published):
2015
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Number of Pages:
133
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Keywords:
Optoelektronische Integation; Quantenkaskadenlaser
de
Optoelectronics Integration; Quantum Cascade Lasers
en
Abstract:
Quantenkaskadenlaser werden heute vielfach für spektroskopische Anwendungen mit Auflösungen bis in den ppt Bereich eingesetzt. Bisherige Systeme verwenden normalerweise komplexe Optiken oder Absorptionszellen, um die Sensitivität und Selektivität zu erhöhen. Dies limitiert ihren Einsatz auf Laborumgebungen. Der Wunsch nach kompakten, tragbaren, sparsamen und benutzerfreundlichen biochemischen Sensoren treibt die Forschung Richtung on-chip Lösungen. Der ultimative Weg, einen biochemischen Sensorchip zu entwickeln, ist die Integration optoelektronischer und photonischer Komponenten, das heißt Laser, Detektoren und eine Interaktionszone auf einem Chip. Das kann durch zwei verschiedene Integrationsmethoden erreicht werden. In einem hybriden Ansatz werden die einzelnen Komponenten separat gefertigt und nachträglich integriert. Beim monolithischen Zugang wird die gesamte Funktionalität im gleichen Materialsystem realisiert. Beide Techniken sowie deren Vorund Nachteile werden im Laufe dieser Arbeit untersucht. Im ersten Teil der Dissertation wird die Integration von GaAs-basierten QCLs mit Siliziumstrukturen durch Au-Au Thermokompressionsbonden untersucht. Diese Arbeiten können als Startpunkt für die Realisierung komplexerer Strukturen mit verschiedenen passiven Elementen wie dielektrischen Wellenleitern, optischen Fasern oder anderen Bauelementen gesehen werden, welche für bestimmte Anwendungen kombiniert werden. Dies wurde durch eine umfassende Optimierung des Bondingprozesses erreicht. Elektrische und spektrale Charakterisierung der Laser vor und nach dem Bondingschritt zeigten keinerlei Degradierung. Sowohl der Schwellstrom, wie auch die Strom-Spannungskennlinie blieb unver ändert. Der wichtigste Vorteil dieses Zugangs ist, dass Material und Fertigung der Einzelkomponenten getrennt optimiert werden können. Silizium, welches als Trägermaterial verwendet wurde, zeigt zudem bessere thermische Eigenschaften als GaAs. Diese Technik ist aufgrund der notwendigen Feinjustage nur für kleine Produktionsserien sinnvoll. Ein monolithischer Zugang erscheint vielversprechend um kosten- und zeitintensive Submikrometer Justage zu vermeiden. Durch quantenmechanisches Design der Kaskadenstruktur ist es möglich, Licht bei der gleichen Wellenlänge zu emittieren und zu detektieren. Die Fertigungsprozesse für Quantenkaskadenlaser und -detektoren sind voll kompatibel. Daher können funktionsfähige Baugruppen, welche Laser und Detektor beinhalten, mit ähnlichen Kosten wie Standardlaser oder Detektoren gefertigt werden. Hierfür werden InGaAs/InAlAs Heterostrukturen auf n-dotierten InP Substraten mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Aufgrund gewisser Einschränkungen im Design haben die Laser dieses bi-funktionalen Materials einen leicht erhöhten Schwellstrom im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen. Durchschnittliche Ausgangsleistungen von 200 mW bei Raumtemperatur im Pulsbetrieb sind jedoch ausreichend für spektroskopische Anwendungen. Die Charakteristik des Detektors ist konkurrenzfähig zu spezialisierten Quantenkaskadendetektoren. Wegen der hohen Divergenz des Lichtstrahls ist die direkte Kopplung nur bei kleinen Abständen zwischen Laser und Detektor bis etwa 10 µm möglich, was für verlässliche Absorptionsmessungen nicht ausreicht. Daher wurde das Konzept der dielektrischen Oberächenplasmon Polariton Wellenleiter mit zweifacher Funktion eingef ührt: es erlaubt hohe Kopplungseffizienz zwischen Laser und Detektor und erweitert gleichzeitig die Interaktionszone. Single-mode Emission, erreicht durch Bragg-Gitter auf sogenannten distributed feedback (DFB) Lasern, verbessert die Stabilität der Laserintensit ät und damit die Sensitivität des on-chip Spektrometers. Thermische Fluktuationen in der Heterostruktur während des Pulses haben einen starken Ein uss auf das optische Signal, können jedoch durch einen resistiven on-chip Temperatursensor gemessen und nachträglich korrigiert werden. Damit wurden Konzentrationen bis zu 50 ppm gemessen.
de
Quantum cascade lasers are nowadays routinely used in gas trace spectroscopic applications with resolutions down to ppt. The existing spectroscopic systems are commonly equipped with complex external optics or advanced absorption cells in order to improve measurement sensitivity and selectivity. This constrains the employment of such systems on laboratory conditions. Requirements for compact, portable, low-power consuming, easy-to-use biochemical sensors drive research towards on-chip solutions. The ultimate way to develop on-chip biochemical sensors is the optoelectronic integration of photonic devices - lasers and detectors with an interaction region directly on the chip. This can be realized utilizing two different methods of integration. In a hybrid approach, single components are produced independently from each other and brought in contact to perform some operation. In a monolithic approach, all functions are incorporated in one single material. Both techniques, as well as their advantages and drawbacks will be investigated in the course of this thesis. In the first part of the thesis, the integration of GaAs-based QCLs with silicon templates using Au-Au thermocompression bonding has been explored. This work is envisioned as a starting point for the realization of complex structures, in which di_erent passive elements like dielectric waveguides or optical fibers, and optical devices are combined to execute specific tasks. The comprehensive optimization of the bonding process is accomplished. Electrical and spectral characteristics of the laser after bonding were not degraded compared to unbonded one. Threshold current and current-voltage characteristics remained unchanged. The most important benefit of this approach is the materials and processing optimization of individual components. Superior thermal properties compared to GaAs, make silicon a better substrate material. However, alignment issues restrict the applicability of this technique to small production series only. A monolithic approach is considered as a promising solution to overcome costly and time-consuming sub-micrometer alignment. By proper quantum mechanical design of the quantum cascade heterostructure, it is possible to emit and detect light of the same frequency. The fabrication steps of quantum cascade lasers and detectors are compatible, meaning that fully functional devices incorporating lasing and detection can be produced at costs of a standard laser or detector. InGaAs/InAlAs heterostructures were grown on n-doped InP substrate by molecular beam epitaxy. The lasers made of this bi-functional material have somewhat higher threshold current densities compared to pure lasers due to design limitations. The average optical power of 200 mW at room temperature in pulsed mode is however sufficient for spectroscopic applications. On the other side, responsivity and detectivity of the detector developed in bi-functional materials are in the order of the best performing detectors. Due to the high beam divergence, the direct coupling is efficient only for small laser-detector distances up to 10 µm, which is not sufficient for reliable and stable optical absorption measurements. The concept of dielectric loaded surface plasmon polariton waveguides is introduced with a twofold function: it provides high coupling laser-detector efficiency and extends the interaction area simultaneously. A single mode emission achieved by implementation of a Bragg grating on the top of socalled distributed feedback (DFB) laser ridges improved the stability of the laser intensity and thus the sensitivity of the on-chip spectrometer. Temperature fluctuations in the heterostructure during pulsing have a strong impact on the laser signal. An on-chip resistive temperature sensor measures the temperature fluctuations precisely, enabling their elimination during postprocessing. Concentrations down to 50 ppm were measured with the proposed on-chip sensor.
en
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Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zsfassung in dt. Sprache
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