Orientador: Newton Cesário Frateschi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estaual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T07:11:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vallini_Felipe_M.pdf: 6816809 bytes, checksum: 7d9629364087ccf092b857c9650d464d (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: A crescente demanda do uso de sistemas de comunicação óptica, seja pelo aumento do número de usuários ou pela quantidade de informação enviada, requer um aumento substancial na necessidade de desenvolvimento de novos sistemas e componentes. Em termos de componentes aplicados à comunicação óptica, aqueles utilizados para a amplificação óptica são de grande importância. Entre eles estão presentes os amplificadores ópticos de semicondutores. Para aplicações após a modulação óptica, pré-detecção e analógicas, é importante alta linearidade dos amplificadores, para que não haja distorção dos sinais e informações enviadas. Já os amplificadores em saturação (de baixa linearidade) permitem grande robustez de desempenho e a redução da complexidade (e do custo) de componentes de micro-óptica em integrações híbridas, neste caso utilizados para compensar perdas ópticas devido ao sistema e ao envelhecimento dos lasers e corrigir efeitos da polarização. Sendo assim, nos dois extremos de condição de operação, não saturado e em saturação profunda, temos a possibilidade de utilizar o dispositivo em aplicações lineares ou não-lineares, respectivamente. Como a saturação do ganho de um amplificador depende da densidade de portadores injetadas no mesmo, propomos o desenvolvimento de amplificadores com multicontatos para a injeção não homogênea de portadores. Com base na idéia proposta acima, nossa dissertação de mestrado trata do projeto de amplificadores multi-contatos partindo do estudo das propriedades de saturação do ganho. Fabricamos um laser de semicondutor, do qual parâmetros empíricos foram extraídos. Desenvolvemos uma simulação de amplificadores de contatos únicos e de multi-contatos, cujos dados de entrada foram os parâmetros empíricos obtidos. Com a mesma estrutura epitaxial utilizada na fabricação do laser, fabricamos amplificadores de contato único e de multi-contatos. Caracterizamos os dispositivos e obtemos boa concordância qualitativa com nossas simulações. Obtemos um controle da linearidade em amplificação de sinais contínuos de -7 a 7 dBm para uma baixa corrente de bombeio das cavidades dos dispositivos / Abstract: The dramatic increase in information density required for nowadays telecom systems demands constant improvements in optical communication technology. In this technology the components used for optical amplification are of great importance, particularly the semiconductor optical amplifiers for they provide high level of miniaturization and reduction in power consumption. Considering these components, after optical modulation, before detection and analog applications requires high linearity of the amplifiers. On the other hand, amplifiers in deep saturation (highly non-linear) yield big robustness and complexity reduction (and cost reductions) for hybrid integration. Also, non-linearity may be of interest for wavelength conversion, switching and pulse compression or dilatation. Therefore, the two extreme operation conditions, unsaturated or in deep saturation are of interest. Since the gain saturation of an amplifier depends on their carrier density, we propose the development of amplifiers with multi-contacts for non-homogeneous injection of carriers along the waveguide of the device. Based on this idea we present the development of multi-contact amplifiers in this dissertation. We first present the modeling of the device using semi-empirical parameters obtained from the fabrication of semiconductor lasers that uses the same epitaxial structures. Subsequently, we fabricated single-contact amplifiers and multi-contacts semiconductor amplifiers, the main subject of this work. The characterization of the devices was realized and good qualitative concordance with our simulations is shown. A linearity control of the amplification for DC signals was achieved for relatively low injection current in both cavity in a -7 to 7 dBm input power range / Mestrado / Mestre em Física

Orientador: Newton Cesario Frateschi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-10T18:33:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mialichi_JoseRoberto_M.pdf: 1964796 bytes, checksum: 5579bc0b247e2f473578a1a155424ebf (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Esta dissertação de mestrado apresenta estudos teóricos sobre o cálculo de ganho óptico em nanoestruturas baseadas no sistema InGaAs/InGaAsP. A partir da teoria de perturbação dependente do tempo, cuja perturbação é a interação de uma onda eletromagnética-matéria, e da teoria de Kane para a estrutura de bandas de semicondutores que relaciona a matriz de transição envolvida nos processos radiativos com parâmetros experimentais desta mesma banda, desenvolvemos todo o formalismo teórico deste cálculo do ganho óptico, além de criarmos uma ferramenta computacional para a aplicação do mesmo às nanoestruturas semicondutoras, tais como poço, fio e ponto quântico. Curvas espectrais de ganho são geradas para cada caso e as análises comparativas destas curvas demonstram que nanofios e nanopontos propiciam condições de alto ganho óptico devido ao confinamento de suas dimensões e, ainda melhor, controle espectral. O efeito da não-homogeneidade das dimensões dos pontos também é considerado. Subseqüentemente, aplicamos os resultados do cálculo de ganho óptico para calcular a corrente de limiar de lasers de semicondutores de faces clivadas a partir das equações de taxa de fótons e portadores na cavidade com a injeção de corrente elétrica. Um estudo é realizado para a otimização do comprimento da cavidade para cada um dos meios de amplificação de luz: bulk, poços, fios e pontos quânticos. Por fim, descrevemos nossos primeiros resultados para o crescimento epitaxial, através do método de crescimento epitaxial de feixe químico (CBE), dos componentes básicos de uma estrutura de laser de semicondutor. Fabricamos e caracterizamos um diodo de junção de InP e poços quânticos de InGaAs/InGaAsP. Amostras epitaxiais de lasers de poços quânticos obtidas externamente foram processadas em lasers de diversos comprimentos de cavidade e caracterizadas. Especialmente, apresentamos curvas de corrente de limiar em função do comprimento da cavidade do laser em concordância qualitativa com nossas simulações, estabelecendo o primeiro passo para o refinamento de nossa ferramenta computacional / Abstract: This master¿s dissertation presents the theoretical studies on the calculation of optical gain in nanostructures based on the InGaAs/InGaAsP/InP system. From the time dependent perturbation theory, where perturbation is the interaction of an electromagnetic wave with matter, and the Kane¿s theory for semiconductors band structure, relating the transition matrix involved in the radioactive processes with experimental parameters of the same band structure, we have developed a theoretical formalism for the optical gain calculation. We then developed a simulation tool to apply to semiconductors structures, such as well, wire, and quantum dot. Spectral gain curves are generated for each case and comparative analyses of these curves demonstrates that quantum wires and quantum dots provide higher optical gain due to its confined dimensions and, even better, much spectral control. The effects of non-homogeneous dot size distribution are also considered. Subsequently, we have applied the simulation tool to calculate the threshold current in semiconductor lasers with cleaved faces (edge emitting lasers), based on the rate equations for photons and carriers in the optical resonant cavity with the injection of electrical current. A study is performed for the optimization of the length of the cavity for each of active region medium: bulk, wells, wires, and quantum dots. Subsequently, we have described our first results for the epitaxial growth by chemical beam epitaxy (CBE) of the basic components of a semiconductor laser: InP junction diode and quantum wells of InGaAs/InGaAsP. Finally, epitaxial samples of quantum well lasers obtained externally were processed in lasers of several resonant cavity lengths and characterized. We have especially presented curves of threshold current as a function of the length of the resonant cavity of the laser in qualitative agreement with our simulations, establishing the first step for refining of our simulation tool / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

More efficient semiconductor lasers will be needed in tomorrow's applications. These lasers can only be realized through the application of new device processing techniques, designed to restrict current, carrier, and/or photon flow through the lasing cavity. This work aims to evaluate a non-conventional stripe laser processing technique which has the potential for effective current and possibly carrier confinement at low cost. This technique, referred to as hydrogen passivation, involves exposing laser material to a low energy hydrogen plasma, causing hydrogen ions to bind to charged acceptor and donor atoms. Such binding compensates the electrical activity of these dopant atoms and thereby increases the resistance of the exposed material. Optical confinement can also be achieved (subsequent to hydrogenation) by using a simple wet-etching process to form a lateral waveguide. Stripe lasers fabricated via hydrogen passivation have been demonstrated previously; however, the benefits of this method have not been fully explored or characterized. Our work aims to quantify the degree of current and carrier confinement provided by this technique. The cleaved cavity method of analysis is used to extract laser parameters via direct measurement. These parameters are then compared against those obtained from more conventional stripe lasers to identify improvements that have accrued from using hydrogen passivation. / Master of Science

O trabalho desta tese se concentra na caracterização óptica de cristais de KCl impurificados multiplamente com íons Yb2+ e com íons moleculares CN- e OCN-. Mostramos a existência de um acoplamento entre os íons Yb2+ e CN-, que gera novas bandas de absorção superpostas as bandas conhecidas do Yb2+ isolado. A excitação óptica dessas novas bandas dá origem a uma forte emissão de banda larga em tomo de 570 nm, e torna possível a emissão vibracional do CN- em 4,8um por meio de transferência de energia eletrônica desde os íons Yb2+ acoplados. A emissão visível de banda larga possui um tempo de decaimento fortemente dependente da temperatura,variando entre 56 e 315 us para a faixa de temperatura entre 293 e 170 K Para temperaturas inferiores a 170 K, o tempo de decaimento da f1uorescência não segue o comportamento de uma única exponencial, indicando diferentes canais de decaimento. A alta intensidade da emissão visível do defeito Yb2+/ CN- a 300K torna promissora a sua utilização em lasers do estado sólido sintonizáveis operando a temperatura ambiente. Medidas diretas de amplificação revelaram a existência de ganho óptico para essa emissão visível de banda larga resultante do acoplamento Yb2+/ CN-. Para uma densidade de potencia de bombeio de 1,35 W/cm2 no centro da banda de absorção do defeito, foi obtido um valor de ganho de 0,59 cm-1 em 570 nm. Esse valor e comparável ao ganho na Alexandrita sob condições ideais de 100% de inversão de população / The present work show the investigation of optical properties of Yb2+, CN-, OCN- multiple doped KCl. It is shown the presence of a coupling effect between Yb2+ and CN- through the observation of new absorptions bands, which are very different from free Yb2+. The optical excitation of this bands results in a strong emission band at 570 nm, and it makes possible the CN- vibration emission at 4.8um through the electronic energy transfer from coupled Yb2+. The broad visible emission band has a strong temperature dependence decay time, which varies from 56 to 315us for the 293 to 170 K interval. For temperatures below 170 K, the fluorescence decay time shift its single exponential decay behavior to a more complex process, revealing different decay channels. The high visible emission intensity from the Yb2+/ CN- defect at 300 K, suggests its application in tunable solid-state lasers. This possibility is better insured through the observation of the direct measurement of optical amplification, which reveals the existence of optical gain for this broad visible emission. For a 1.35 W/cm2 power density pump at the center of the absorption band of the coupled defect, it was obtained a gain of 0,59 cm-1 at 570 nm. This value is comparable to the gain in Alexandrite under an ideal 100% population inversion

abstract: Integrated photonics requires high gain optical materials in the telecom wavelength range for optical amplifiers and coherent light sources. Erbium (Er) containing materials are ideal candidates due to the 1.5 μm emission from Er3+ ions. However, the Er density in typical Er-doped materials is less than 1 x 1020 cm-3, thus limiting the maximum optical gain to a few dB/cm, too small to be useful for integrated photonics applications. Er compounds could potentially solve this problem since they contain much higher Er density. So far the existing Er compounds suffer from short lifetime and strong upconversion effects, mainly due to poor quality of crystals produced by various methods of thin film growth and deposition. This dissertation explores a new Er compound: erbium chloride silicate (ECS, Er3(SiO4)2Cl ) in the nanowire form, which facilitates the growth of high quality single crystals. Growth methods for such single crystal ECS nanowires have been established. Various structural and optical characterizations have been carried out. The high crystal quality of ECS material leads to a long lifetime of the first excited state of Er3+ ions up to 1 ms at Er density higher than 1022 cm-3. This Er lifetime-density product was found to be the largest among all Er containing materials. A unique integrating sphere method was developed to measure the absorption cross section of ECS nanowires from 440 to 1580 nm. Pump-probe experiments demonstrated a 644 dB/cm signal enhancement from a single ECS wire. It was estimated that such large signal enhancement can overcome the absorption to result in a net material gain, but not sufficient to compensate waveguide propagation loss. In order to suppress the upconversion process in ECS, Ytterbium (Yb) and Yttrium (Y) ions are introduced as substituent ions of Er in the ECS crystal structure to reduce Er density. While the addition of Yb ions only partially succeeded, erbium yttrium chloride silicate (EYCS) with controllable Er density was synthesized successfully. EYCS with 30 at. % Er was found to be the best. It shows the strongest PL emission at 1.5 μm, and thus can be potentially used as a high gain material. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Physics 2013

O trabalho desta tese se concentra na caracterização óptica de cristais de KCl impurificados multiplamente com íons Yb2+ e com íons moleculares CN- e OCN-. Mostramos a existência de um acoplamento entre os íons Yb2+ e CN-, que gera novas bandas de absorção superpostas as bandas conhecidas do Yb2+ isolado. A excitação óptica dessas novas bandas dá origem a uma forte emissão de banda larga em tomo de 570 nm, e torna possível a emissão vibracional do CN- em 4,8um por meio de transferência de energia eletrônica desde os íons Yb2+ acoplados. A emissão visível de banda larga possui um tempo de decaimento fortemente dependente da temperatura,variando entre 56 e 315 us para a faixa de temperatura entre 293 e 170 K Para temperaturas inferiores a 170 K, o tempo de decaimento da f1uorescência não segue o comportamento de uma única exponencial, indicando diferentes canais de decaimento. A alta intensidade da emissão visível do defeito Yb2+/ CN- a 300K torna promissora a sua utilização em lasers do estado sólido sintonizáveis operando a temperatura ambiente. Medidas diretas de amplificação revelaram a existência de ganho óptico para essa emissão visível de banda larga resultante do acoplamento Yb2+/ CN-. Para uma densidade de potencia de bombeio de 1,35 W/cm2 no centro da banda de absorção do defeito, foi obtido um valor de ganho de 0,59 cm-1 em 570 nm. Esse valor e comparável ao ganho na Alexandrita sob condições ideais de 100% de inversão de população / The present work show the investigation of optical properties of Yb2+, CN-, OCN- multiple doped KCl. It is shown the presence of a coupling effect between Yb2+ and CN- through the observation of new absorptions bands, which are very different from free Yb2+. The optical excitation of this bands results in a strong emission band at 570 nm, and it makes possible the CN- vibration emission at 4.8um through the electronic energy transfer from coupled Yb2+. The broad visible emission band has a strong temperature dependence decay time, which varies from 56 to 315us for the 293 to 170 K interval. For temperatures below 170 K, the fluorescence decay time shift its single exponential decay behavior to a more complex process, revealing different decay channels. The high visible emission intensity from the Yb2+/ CN- defect at 300 K, suggests its application in tunable solid-state lasers. This possibility is better insured through the observation of the direct measurement of optical amplification, which reveals the existence of optical gain for this broad visible emission. For a 1.35 W/cm2 power density pump at the center of the absorption band of the coupled defect, it was obtained a gain of 0,59 cm-1 at 570 nm. This value is comparable to the gain in Alexandrite under an ideal 100% population inversion

Název práce: Nelineární optické vlastnosti křemíkových nanostruktur Autor: Karel Žídek Katedra (ústav): Katedra chemické fyziky a optiky Vedoucí disertační práce: Doc. RNDr. František Trojánek, Ph.D. E-mail vedoucího: trojanek@karlov.mff.cuni.cz Abstrakt: Disertační práce se zabývá nelineárními optickými jevy a ultrarychlým vývojem luminis- cence křemíkových nanokrystalů. Pomocí metody optického hradlování signálu (časové rozlišení až 250 fs) porovnáváme ultrarychlý vývoj luminiscence křemíkových nanokrystalů s různými ve- likostmi (v řádu jednotek nanometrů) a také s rozdílnými formami pasivace. Pro nanokrystaly, kde po excitaci dominuje vliv zachytávání nosičů do povrchových stavů nanokrystalu, navrhujeme teoretický popis závislosti rychlosti těchto procesů na vlastnostech nanokrystalů. Dále v práci podrobně zkoumáme působení Augerovy rekombinace, která se projevuje jak v časově rozlišené, tak i v časově integrované emisi vzorků. Experimentální data velmi dobře popisuje námi navržený model na bázi kinetických rovnic. Závěr práce se zaměřuje na zkoumání ultrarychle dohasínající stimulované emise. U stávajících metod měření optického zisku (VSL a SES) navrhujeme jejich rozšíření pro...

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18229号 / 工博第3821号 / 新制||工||1585(附属図書館) / 31087 / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 川上 養一, 教授 北野 正雄, 教授 木本 恒暢 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18281号 / 工博第3873号 / 新制||工||1594(附属図書館) / 31139 / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 川上 養一, 教授 藤田 静雄, 准教授 須田 淳 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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