Advanced Trends in Wireless Communications

Physical limitations on wireless communication channels impose huge challenges to reliable communication. Bandwidth limitations, propagation loss, noise and interference make the wireless channel a narrow pipe that does not readily accommodate rapid flow of data. Thus, researches aim to design systems that are suitable to operate in such channels, in order to have high performance quality of service. Also, the mobility of the communication systems requires further investigations to reduce the complexity and the power consumption of the receiver. This book aims to provide highlights of the current research in the field of wireless communications. The subjects discussed are very valuable to communication researchers rather than researchers in the wireless related areas. The book chapters cover a wide range of wireless communication topics

A Reflective Electro-Optic Transceiver for Optical RF-Transmission Technology with Multimode Fibers

Künftige hoch entwickelte Kommunikationssysteme sollen nicht nur zuverlässig hohe Datenraten transportieren können. Der zunehmende Bedarf an „überall und zu jeder Zeit“ verfügbaren Datenverbindungen in flexiblen Kommunikationssystemen, mit denen zudem verschiedenste Daten und Services transportiert werden sollen, können durch eine Konvergenz von kabelgebundenen und funkbasierten Systemen gerade in Zugangsnetzen und lokalen Netzwerken befriedigt werden. Aufgrund von geringen Stück- und Installationskosten sowie hohen Bandbreiten ist besonders die Multimodenfaser (MMF) ein viel versprechendes Medium zur Übertragung von Funksignalen speziell in Kurzstrecken-Faser-Funk-Netzwerken. Dabei können neue multifunktionale optoelektronische Bauteile für Systeme mit MMF die Flexibilität und die Konvergenz dieser Netzwerke erhöhen und verbessern. In dieser Dissertation wird ein neuartiger reflektiver elektrooptischer Transceiver (REOT) für die optische Übertragungstechnik mit MMF mit dem Ziel entwickelt, als bidirektionale Komponente schnelle elektro-optische Schnittstellen in MMF-Funk-Basisstationen zu ermöglichen. Als Integration eines wellenlängenselektiven und gezielt transparenten, reflektiven Modulators als Sender (Transmitter) und einer Photodiode als Empfänger (Receiver) wird ein Transceiver realisiert, der im Wellenlängenmultiplex eine zeitgleiche bidirektionale (voll-duplex) Übertragung über nur eine MMF ermöglicht. Der vertikale Aufbau des Transceivers kombiniert die Vorteile einer einfachen Faser-Chip-Kopplung mit einer kostengünstigen Herstellung. Das Design basiert auf Simulationen zum elektro-optischen Verhalten der Schichtstruktur. Der Herstellungsprozess mit photolithographischer Strukturierung und Kontaktierung wird detailliert beschrieben. Der Transceivers wird auf Bauteilebene über die statischen und dynamischen elektrischen und elektro-optischen Eigenschaften sowie in analogen optischen Links mit MMF anhand der Übertragungsfähigkeit des Systems charakterisiert. Auf Grundlage dieser Analysen wird nachgewiesen, dass mit dem Transceiver eine Übertragung standardisierter Funksignale für Zugangsnetze und lokale Netzwerke in Faser-Funk-Systemen mit MMF aus Glas und Polymer unterschiedlicher Längen übertragen werden können. Zudem wird erfolgreich gezeigt, dass auch im passiven Betriebsmodus, d.h. in einem Arbeitspunkt des Elektroabsoptionsmodulators von 0V, viele dieser standardisierten Funksignale mit einem optischen MMF-Übertragungssystem mit REOT optisch übertragen werden können. Darüber hinaus wird die Funktionsweise als Voll-duplex-Transceiver demonstriert. Vorausblickend wird ein Einbau des REOTs in eine LTCC-basierte Basisstation konzipiert.Future advanced communication systems are not only expected to provide high bit rates and reliability. With the increasing demand for “everywhere and anytime” available data connec-tion and on communication systems being highly flexible and capable of transmitting multi-service data, the convergence of fixed and wireless communication systems for access and local area networks is supposed to satisfy these demands. Due to low component and installa-tion costs together with high available bandwidth, especially multimode fiber (MMF) optic systems show promise on transmitting radio signals and serving wireless base stations in short range fiber wireless infrastructure. In particular novel multi-functional optoelectronic devices especially designed for MMF systems will enhance the system flexibility and this conver-gence. In this dissertation a unique reflective electro-optic transceiver (REOT) for optical transmis-sion technology using MMFs is developed with the scope of creating a bi-directional compo-nent for high-speed opto-electrical interfaces such as MMF-wireless base stations. By verti-cally integrating a wavelength selective and partially transparent reflective modulator as transmitter and a photodiode as receiver, the sophisticated transceiver is designed for wave-length division multiplexing (WDM) technique and enables full-duplex transmission – namely bi-directional transmission at the same time – via only one MMF. The vertical integration of the transceiver combines the advantages of easy fiber-chip coupling and low-cost fabrication. The transceiver layout is based on simulations of the layer structure and its resulting electro-optical response. The fabrication process containing the photolithographic structuring and contacting is described in detail. The transceiver is being characterized in terms of the static and dynamic electrical and electro-optical properties and its performance in analog optical links using MMF. Based on these analyses the transceiver is used in radio-over-fiber (RoF) systems with various types and lengths of multimode glass and polymer optical fibers demonstrating its capability of trans-mitting standard wireless access and local area network signals. It is successfully shown that even in passive operation mode at an operating point of 0 V bias voltage of the electro-absorption modulator various wireless standard signals can optically be transmitted using the REOT in a MMF transmission system. In addition, the full-duplex functionality of the REOT is demonstrated. And finally, an assembly of the transceiver into new LTCC-based fiber-wireless base stations is envisaged

Design of indoor communication infrastructure for ultra-high capacity next generation wireless services

The proliferation of data hungry wireless devices, such as smart phones and intelligent sensing networks, is pushing modern wireless networks to their limits. A significant shortfall in the ability of networks to meet demand for data is imminent. This thesis addresses this problem through examining the design of distributed antenna systems (DAS) to support next generation high speed wireless services that require high densities of access points and must support multiple-input multiple-output (MIMO) protocols. First, it is shown that fibre links in DAS can be replaced with low-cost, broadband free-space optical links, termed radio over free-space optics (RoFSO) links. RoFSO links enable the implementation of very high density DAS without the need for prohibitively expensive cabling infrastructure. A 16m RoFSO link requiring only manual alignment is experimentally demonstrated to provide a spurious-free dynamic range (SFDR) of > 100dB/Hz^2/3 over a frequency range from 300MHz- 3.1GHz. The link is measured to have an 802.11g EVM dynamic range of 36dB. This is the first such demonstration of a low-cost broadband RoFSO system. Following this, the linearity performance of RoFSO links is examined. Because of the high loss nature of RoFSO links, the directly-modulated semiconductor lasers they use are susceptible to high-order nonlinear behaviour, which abruptly limits performance at high powers. Existing measures of dynamic range, such as SFDR, assume only third-order nonlinearity and so become inaccurate in the presence of dominant high-order effects. An alternative measure of dynamic range called dynamic-distortion-free dynamic range (DDFDR) is then proposed. For two different wireless services it is observed experimentally that on average the DDFDR upper limit predicts the EVM knee point to within 1dB, while the third-order SFDR predicts it to within 6dB. This is the first detailed analysis of high-order distortion effects in lossy analogue optical links and DDFDR is the first metric able to usefully quantify such behaviour. Next, the combination of emerging MIMO wireless protocols with existing DAS is examined. It is demonstrated for the first time that for small numbers of MIMO streams (up to ~4), the capacity benefits of MIMO can be attained in existing DAS installations simply by sending the different MIMO spatial streams to spatially separated remote antenna units (RAU). This is in contrast to the prevailing paradigm of replicating each MIMO spatial stream at each RAU. Experimental results for two representative DAS layouts show that replicating spatial streams provides an increase of only ~1% in the median channel capacity over merely distributing them. This compares to a 3-4% increase of both strategies over traditional non-DAS MIMO. This result is shown to hold in the multiple user case with 20 users accessing 3 base stations. It is concluded that existing DAS installations offer negligible capacity penalty for MIMO services for small numbers of spatial streams, including in multi-user MIMO scenarios. Finally, the design of DAS to support emerging wireless protocols, such as 802.11ac, that have large numbers of MIMO streams (4-8) is considered. In such cases, capacity is best enhanced by sending multiple MIMO streams to single remote locations. This is achieved using a novel holographic mode division multiplexing (MDM) system, which sends each separate MIMO stream via a different propagation mode in a multimode fibre. Combined channel measurements over 2km of mode-multiplexed MMF and a typical indoor radio environment show in principle a 2x2 MIMO link providing capacities of 10bit/s/Hz over a bandwidth of 6GHz. Using a second experimental set-up it is shown that the system could feasibly support at least up to a 4x4 MIMO system over 2km of MMF with a condition number >15dB over a bandwidth of 3GHz, indicating a high degree of separability of the channels. Finally, it is shown experimentally that when a fibre contains sharp bends (radius between 20mm and 7.2mm) the first 6 mode-groups used for multiplexing exhibit no additional power loss or cross-coupling compared with unbent fibre, although mode-groups 7, 8 and 9 are more severely affected. This indicates that at least 6x6 multiplexing is possible in standard installations with tight fibre bends.For their financial support, I would like to thank the Rutherford Foundation of the Royal Society of New Zealand, the Cambridge Commonwealth Trust and the EPSRC

Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described.[ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC).[CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es presePiqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264TESI

Oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität (VCSELs) und VCSEL-Arrays für Kommunikation und Sensorik

Future generations of optical wireless communication and sensing systems require compact, low-cost, reliable, and highly efficient light sources capable of transmitting modulated beams across free space at gigabit per second (Gbps) data rates and pulsed beams with sub-nanosecond rise and fall times. The infrared vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is exactly one such light source. Fifth generation (5G) systems promise to connect billions of people and trillions of Internet of Things gadgets and sensors at 1 to beyond 20 Gbps via newly auctioned millimeter wave (30 GHz to 300 GHz) spectral bands. By circa 2030 sixth generation (6G) systems envision vast broadband capacity with zero latency – enabling real-time virtual and mixed realities, human-machine interfaces, autonomous vehicles, and much more. The 6G technology adds terahertz wave emitters including infrared VCSELs and VCSEL arrays to vastly increase data rates, boost energy and spectral efficiency, and take advantage of available and unregulated spectral bands. I design, fabricate, and test new experimental VCSEL diodes and novel two-dimensional (2D) VCSEL diode arrays. I study the physics and performance trade-offs of VCSEL light emitters aimed at 5G and 6G optical wireless communication and sensing applications. Via in-house computer modeling and simulation programs, I design VCSEL epitaxial structures – composed of nanometer-thick aluminum-gallium-arsenide, indium-gallium arsenide, and gallium-arsenide-phosphide layers – with peak target emission wavelengths of 940 and 980 nanometers. A commercial foundry grows my experimental VCSEL epitaxial wafers by metal-organic vapor phase epitaxy on 3-inch diameter gallium-arsenide substrates. In my university cleanroom, I fabricate my VCSELs as quarter wafer test pieces using a new VCSEL Array 2018 mask set which contains single VCSELs, and several variations of novel 2D electrically parallel triple (3-element), septuple (7-element), and novemdecuple (19-element) geometric device designs. My fabricated devices feature high frequency, coplanar ground-signal-ground metal contact pads, and top-epitaxial-surface emission. I perform all device tests in my university laser diode laboratory via direct, on-wafer electrical probing under computer control, starting with continuous wave light output power-current-voltage sweeps via a calibrated photodiode-integrating sphere and variable current source. For emission spectra and small-signal frequency response measurements, I collect the emitted VCSEL light with a standard OM1 multiple mode optical fiber (MMF) – connected to either an optical spectrum analyzer or a photoreceiver. For on-wafer data transmission tests across OM1 MMF patch cords, I modulate my VCSELs with nonreturn to zero, pseudorandom bit patterns in the form of 2-level pulse amplitude modulation. I achieve record combinations of optical output power, bandwidth, and efficiency for my large oxide aperture diameter (larger than 20 micrometers) VCSELs and for my VCSEL arrays. For example, I demonstrate 200 milliwatts of optical output power, a bandwidth of 18 GHz, and a wall plug efficiency of 35 percent with a 19-element VCSEL array. I set several records for error free data transmission, for example, 40 Gbps for my triple and septuple VCSEL arrays and 25 Gbps for my novemdecuple VCSEL arrays, well beyond the previous record of 10 Gbps. My work is the first to investigate trade-offs in the highly nontrivial physics of VCSEL arrays aimed at high power and high bandwidth arrays for free space data transmission – producing new guiding principles for further device optimization and product development.Zukünftige Generationen optischer drahtloser Kommunikations- und Sensorsysteme erfordern kompakte, kostengünstige, zuverlässige und hocheffiziente Lichtquellen, die modulierte Strahlen mit Datenraten von Gigabit pro Sekunde (Gbps) und gepulste Strahlen mit Anstieg- und Abfallzeiten im Sub-Nanosekundenbereich über den freien Raum übertragen können. Infrarote, oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL) sind genau eine solche Lichtquelle. Systeme der fünften Generation (5G) versprechen, Milliarden von Menschen und Billionen von Geräten und Sensoren für das Internet der Dinge mit 1 bis über 20 Gbps über neu versteigerte Millimeterwellen-Spektralbänder (30 GHz bis 300 GHz) zu verbinden. Bis etwa 2030 sehen Systeme der sechsten Generation (6G) eine enorme Breitbandkapazität ohne Latenzzeit vor – sie ermöglichen virtuelle und gemischte Realitäten in Echtzeit, Mensch-Maschine-Schnittstellen, autonome Fahrzeuge und vieles mehr. Die 6G-Technologie fügt Terahertz-Wellensender hinzu, einschließlich Infrarot-VCSELs und VCSEL-Arrays, um die Datenraten signifikant zu erhöhen, die Energie- und Spektraleffizienz zu steigern und die verfügbaren und noch unregulierten Spektralbänder zu nutzen. In der vorliegenden Arbeit werden neue experimentelle VCSEL-Dioden und neuartige zweidimensionale (2D) VCSEL-Diodenarrays entworfen, hergestellt und getestet. Die Physik der VCSEL-Lichtemittern, welche auf 5G- und 6G-optische drahtlose Kommunikations- und Sensoranwendungen ausgerichtet sind, wird untersucht und Performance-Tradeoffs für die angedachten Anwendungen werden identifiziert und analysiert. Über hauseigene Computermodellierungs- und Simulationsprogramme wurden epitaktische VCSEL-Strukturen – bestehend aus nanometerdicken Aluminium-Gallium-Arsenid-, Indium-Gallium-Arsenid- und Gallium-Arsenid-Phosphid-Schichten – mit Peak-Zielemissionswellenlängen von 940 und 980 Nanometern entworfen. Ein kommerzieller Hersteller hat die experimentellen VCSEL-Epitaxiewafer durch metallorganische Gasphasenepitaxie auf Gallium-Arsenid-Substraten mit einem Durchmesser von 3 Zoll gewachsen. In einem Reinraum an der Universität wurden die VCSELs als Viertelwafer-Teststücke mit einem neuen VCSEL Array 2018-Maskensatz gefertigt, der einzelne VCSELs und mehrere Variationen von neuartigen elektrisch parallelen 2D-Tripel- (3-Element), Septuple- (7-Element) und Novemdecuple- (19-Elemente) Strukturdesigns enthält. Bei den prozessierten Strukturen handelt es sich um Top-Emitter mit hochfrequenzkompatiblen koplanare Masse-Signal-Masse-Metallkontaktpads. Alle Device-Tests wurden computergesteuert in einem universitären Laserdiodenlabor durch direktes elektrisches On-Wafer Probing durchgeführt, beginnend mit Dauerstrich-Lichtausgangsleistung-Strom-Spannungs-Sweeps über eine kalibrierte Photodioden-Integrationskugel und eine variable Stromquelle. Für Emissionsspektren und Kleinsignal-Frequenzgangmessungen wurde das emittierte VCSEL-Licht mit einer standardmäßigen OM1-Multimode-Glasfaser (MMF) eingesammelt – verbunden mit einem optischen Spektrumanalysator oder einem Fotoempfänger. Für On-Wafer-Datenübertragungstests über OM1-MMF-Patchkabel wurden die VCSELs mit pseudozufälligen Bitmustern im Non-Return-To-Zero Format mit 2-Level-Pulsamplitudenmodulation moduliert. In dieser Arbeit werden bisher unerreichte Kombinationen von optischer Ausgangsleistung, Bandbreite und Effizienz für VCSEL und VCSEL-Arrays mit großer Oxid-Apertur (größer als 20 Mikrometer) demonstriert. Beispielsweise werden 200 Milliwatt optische Ausgangsleistung, eine Bandbreite von 18 GHz und eine Konversionseffizienz elektrischer zu optischer Leistung von 35 Prozent mit einem 19-Element-VCSEL-Array erreicht. Zudem werden mehrere Rekorde für fehlerfreie Datenübertragung aufgestellt, zum Beispiel 40 Gbps für Triple- und Septuple-VCSEL-Arrays und 25 Gbps für Novemdecuple-VCSEL-Arrays, weit über den bisherigen Stand der Technik von 10 Gbps hinaus. Diese Arbeit ist die erste, die Trade-Offs in der hochgradig nichttrivialen Physik von VCSEL-Arrays untersucht, die auf Arrays mit hoher Leistung und hoher Bandbreite für die Datenübertragung im freien Raum abzielen – und damit neue Leitprinzipien für die weitere Bauelementoptimierung und Produktentwicklung schafft.DFG, 43659573, SFB 787: Halbleiter - Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelement