Ontwerp, modellering en fabricage van snelle VCSEL met datasnelheid tot 50 Gb/s

Abstract

Met behulp van het PICS3D-simulatieprogramma hebben we de kenmerken van de frequentierespons bij 850 nm GaAs-hogesnelheids-oppervlakte-emitterende lasers met verticale holte (VCSEL's) met verschillende soorten oxide-openingsgroottes en holtelengte bestudeerd. Door gebruik te maken van een oxide-opening van 5 m kan het frequentieresponsgedrag worden verbeterd van 18,4 GHz en 15,5 GHz tot 21,2 GHz en 19 GHz met een maximum van 3 dB bij respectievelijk 25 °C en 85 °C. Numerieke simulatieresultaten suggereren ook dat de frequentieresponsprestaties verbeterden van 21,2 GHz en 19 GHz naar 30,5 GHz en 24,5 GHz met een maximum van 3 dB bij 25 °C en 85 °C als gevolg van de vermindering van de holtelengte van 3λ/2 tot λ /2. Bijgevolg werden de snelle VCSEL-apparaten gefabriceerd op een gewijzigde structuur en vertoonden ze een datasnelheid van 50 Gb/s bij 85 °C.

Inleiding

In een paar jaar zijn de oppervlakte-emitterende laserdiodes met verticale holte (VCSEL's) favoriete zenders geworden voor optische dataverbindingen [1, 2]. Ondertussen hebben GaAs VCSEL-apparaten enkele voordelen, zoals lage drempelstroom, stroomverbruik en kleine divergentiehoek, evenals verlichting aan de bovenzijde om gemakkelijk een array te maken. De vraag is snel gegroeid, samen met enorme vereisten voor 5G-internet, 3D-detectie, LiDAR, snelle fotodetectoren, enz. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] .

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) is een ultramoderne 3D-simulator voor laserdiodes en gerelateerde actieve fotonische apparaten. PISC3D is een uitgebreide 3D-numerieke oplosser die een rigoureuze en zelfconsistente behandeling van thermische, elektrische en optische eigenschappen biedt door de gerelateerde vergelijkingen op te lossen op basis van de niet-lineaire Newton-Raphson-methode. Het primaire doel is om een 3D-simulator te bieden voor rand- en oppervlakte-emitterende laserdiodes. Het is ook uitgebreid met modellen voor andere componenten die zijn geïntegreerd met of gerelateerd aan de laseremitter. In deze studie hebben we GaAs VCSEL gesimuleerd; natuurlijk breidde het ook gemakkelijk uit naar GaN VCSEL, LED, enz. [15, 16].

Het eerste oxidatieproces in III-V samengesteld materiaal werd in 1989 ontdekt aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign door Dallesasse en Holonyak [17]. Door een oxidatieproces kunnen de VCSEL-apparaten de grootte van de oxide-openingsdiameter verkleinen. Het kan dus niet alleen een enkele transversale moduswerking bevorderen, maar ook een hogesnelheidswerking en prestaties in één modus.

Om een hoge modulatiebandbreedte te bereiken, zouden de meeste ontwerpers een grote D-factor en een redelijk lage K-factor zoeken, typisch een hoge differentiële versterking door gebruik te maken van spannings-QW's. Een korte levensduur van het foton door het afstemmen van de fase van de Bragg-reflector (DBR) [18], een hoge opsluitingsfactor door het gebruik van een korte holte en een oxide met een kleine holte zijn noodzakelijk. Aan de andere kant kan het verminderen van elektrische parasieten ook de modulatiesnelheid verbeteren. Deze omvatten parasitaire capaciteit van verbindingspads, intrinsieke diodeovergang en het gebied van buiten de opening onder metalen contactvlakken die DBR's, oxidatielagen, enz. Verbinden, en omvatten ook parasitaire weerstand van DBR's, junctieweerstand. Parasitaire resistentie is echter niet beter zo laag mogelijk; het moet overeenkomen met een impedantie van 50 Ohm. Wat betreft de snelle ontwikkeling van VCSEL-apparaten voor datacommunicatie, zijn er verschillende artikelen die de voortgang vastleggen [19, 20]. Tegenwoordig zijn de ultramoderne 50-Gb/s 850-nm VCSEL-apparaten met succes gedemonstreerd aan de Chalmers University of Technology (CUT) door Westbergh et al. en University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) door Feng et al. [21,22,23]. We hebben het resultaat van onze experimenten in dit onderzoek vergeleken met andere laboratoria en onze gegevens komen veel in de buurt van hun resultaten.

De meest effectieve manier om de differentiële winst te vergroten, is echter het gebruik van strain multiple quantum well (MQW), zoals het vervangen van de GaAs/AlGaAs MQW door de InGaAs/AlGaAs MQW [24, 25]. In het op GaAs gebaseerde materiaal is de effectieve massa van het gat veel groter dan de effectieve massa van het elektron, waardoor het quasi-Fermi-niveau zich in de richting van de volantband [26] scheidt. Als we dus de belasting van een actieve laag implementeren, kan de effectieve gatmassa aanzienlijk worden verminderd omdat de scheiding van het quasi-Fermi-niveau evenwichtiger is tussen de geleidings- en volantband. De differentiële winst kan worden beschouwd als de toename van de winst met dragerdichtheid zodra de quasi-Fermi-niveauscheiding symmetrischer wordt, en in de tussentijd zal de differentiële winst meer samendrukkend worden in de gespannen MQW. Bovendien zal de stam ook het mengeffect van de volantband vrijgeven door het energieverschil tussen de zware en lichte gatenband te vergroten. In deze studie werd de numerieke simulatie geoptimaliseerd voor de VCSEL-apparaatstructuur via Crosslight PICS3D-software [27].

Methoden/experimenteel

Figuur 1 toont het schema van het 850 nm GaAs VCSEL-apparaat voor simulatiestructuur in deze studie. Voor dit oxide VCSEL omvat de epitaxiale laagstructuur van onder naar boven een GaAs-substraat, n-DBR van 34 paar Al_0.9 Ga_0.1 As/Al_0,12 Ga_0,88 As, een InGaAs MQW actieve laag met vijf In_0,08 Ga_0,92 As-strained QW's gescheiden door zes Al_0,37 Ga_0,63 Als kwantumbarrièrelagen, p-DBR, en een zwaar gedoteerde p-GaAs als contactlaag. P-DBR-lagen bevatten echter twee Al_0.98 Ga_0,02 Als oxidatielagen en vier Al_0.96 Ga_0,04 Als oxidatielagen en 13 paar Al_0.9 Ga_0.1 As/Al_0,12 Ga_0,88 Als lagen. Er zijn twee soorten oxide-openingen, 5 m en 7 m in ons ontwerp. De twee Al_0.98 Ga_0,02 Omdat oxidatielagen een apertuuropsluiting zouden krijgen voor de functies van elektrisch en optisch, en de vier Al_0.96 Ga_0,04 Omdat lagen de parasitaire capaciteit zouden verminderen en de optische respons verder zouden verbeteren. Zo berekenen we de elektrische potentiaal en ladingsverdeling via de vergelijking van Poisson, berekenen we het vervoer van de drager uit de huidige continuïteitsvergelijkingen, gebruiken we de effectieve indexmethode (EIM) -benadering die met succes is toegepast om verschillende VCSEL-structuren te berekenen, en gebruiken we de transfer-matrixmethode in de berekening van de equivalente laserholte. In deze studie werden de VCSEL-modules in Crosslight PICS3D-software toegepast om onze VCSEL-simulaties uit te voeren, die kwantummechanische, elektrische, thermische en DBR-holte optische effecten omvat, met sterkere zelfconsistente interactie dan alle andere opto-elektronische apparaten die werden toegepast om onze VCSEL-simulaties. Aangezien de gesimuleerde VCSEL-structuur symmetrisch is, werd een cilindrisch coördinatensysteem in plaats van het Cartesiaanse coördinatensysteem gebruikt om simulatietijd te besparen. De geavanceerde Newton-iteratieformule werd in de software gebruikt om ervoor te zorgen dat de juiste antwoorden gevonden kunnen worden in niet-lineaire vergelijkingen in de VCSEL-module. In dit rapport hebben we speciaal verschillende soorten oxide-openingsgroottes en holtelengtes overwogen om de prestaties van VCSEL-apparaten te verbeteren. De VCSEL A en B zijn ontworpen voor respectievelijk 7 m en 5 μm oxide-openingen met een lengte van 3λ/2 holtes. Aan de andere kant neemt VCSEL C het ontwerp over van een oxide-opening van 5 μm met een lengte van λ/2 holte.

Het schema van de top emitterende 850 nm VCSEL

Resultaten en discussie

In VCSEL A en B zijn hun holtelengtes 3λ/2 maar hebben verschillende oxide-openingsdiameters van respectievelijk 7 μm (VCSEL A) en 5 μm (VCSEL B). Uit simulatieresultaten worden L-I-curven weergegeven in Fig. 2 a en b. We kunnen de drempelstroom van VCSEL B zien (I _de 0,6 mA en 0,73 mA) is altijd lager dan de VCSEL A (I _de 0,82 mA en 0,94 mA) bij respectievelijk 25 °C en 85 °C. Het is duidelijk dat de ik _de wordt groter samen met toenemende oxide-openingsgrootte. Om het kleinst mogelijke modusvolume in verticale richting te bereiken en de D-factor te vergroten, wordt een korte λ/2 optisch dikke holte gebruikt en vervolgens gefixeerd op de 5-μm oxide-opening in VCSEL C. Uit de LI-curve kunnen we zie de drempelstroom van VCSEL C (I _de 0,55 mA en 0,67 mA) zijn altijd lager dan de VCSEL B (I _de 0,6 mA en 0,73 mA) bij respectievelijk 25°C en 85°C, zoals weergegeven in Fig. 3a. In de experimentgegevens van VCSEL C (reëel), worden L-I-V-curven getoond in Fig. 3b, de I _de van VCSEL C (reëel) zijn respectievelijk 0,8 mA en 1,08 mA bij 25 °C en 85 °C. In het echte geval, omdat het thermische effect het verschil van I . kan veroorzaken _de tussen het echte geval en de simulatie kunnen resultaten worden verwacht.

De lichtstroomkarakteristieken voor de simulatie van VCSEL-apparaten met 3λ/2 holtelengte voor a VCSEL A:7 μm openingsdiameter bij 25 °C en bij 85 °C, en b VCSEL B:5 μm openingsdiameter bij 25 °C en bij 85 °C

een De lichtstroomkarakteristieken voor de simulatie van VCSEL C:λ/2 holtelengte, 5 μm openingsdiameter bij 25 °C en 85 °C. b De gemeten lichtstroom-spanningskarakteristieken van VCSEL C bij 25 °C en 85 °C

Volgens resonantiefrequentie (fr ) en dempingssnelheidfunctie,

$$ fr=D\bullet \sqrt{I-{I}_{\mathrm{th}}}\ \mathrm{where}\ D=\frac{1}{2\pi}\bullet \sqrt{\frac {\eta_i\Gamma {V}_g}{q{V}_a}\bullet \frac{\partial g}{\partial n}} $$ (1) $$ \gamma =K\bullet {f_r}^2 +{\gamma}_o\ \mathrm{where}\ K=4{\pi}^2\left({\tau}_p+\frac{\varepsilon }{v_g\left(\raisebox{1ex}{$\partial g$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\partial n$}\right.\right)}\right) $$ (2)

waar D is de D-factor, I is de huidige, I _de is de drempelstroom, η _ik is de interne kwantumefficiëntie, Г is de optische opsluitingsfactor, V _g is de groepssnelheid, q is de elementaire lading, V _een is het volume van het actieve (versterkings)gebied, $ \frac{\partial g}{\partial n} $ is de differentiële versterking, γ is de dempingsfactor, K is de K-factor, γ _o is de offset van de dempingsfactor, τ _p is de levensduur van het foton, en ε is de versterkingscompressiefactor [28].

We kunnen dus de frequentierespons van apparaatprestaties verbeteren door de levensduur van het foton en het effectieve volume van de resonator te verminderen en de differentiële versterking te vergroten. Op basis van deze overwegingen gebruiken we dezelfde parameters voor de volgende sectie om de optische respons te verbeteren. Afbeelding 4 a-d toont de kleinsignaalmodulatierespons van VCSEL A en VCSEL B bij 25 ° C en 85 ° C. Uit het simulatieresultaat van snelle optische respons blijkt dat het een goede bandbreedte van 3 dB heeft van 18,4 GHz en 15,5 GHz (VCSEL A) tot 21,2 GHz en 19 GHz (VCSEL B) en het geeft ook aan dat de bandbreedte van 3 dB verhoogd met respectievelijk ongeveer 15,2% en 22,5%. Dus, toegeschreven aan de toenemende opsluitingsfactor, hebben de VCSEL-apparaten de lagere drempelstroom in de emissie en de batterijbandbreedte in VCSEL kan worden toegeschreven aan de opsluitingsfactor die is toegenomen met behulp van een kleinere oxide-opening.

Simulatie van kleinsignaalmodulatierespons voor VCSEL-apparaten met een lengte van 3λ/2 holte; dus VCSEL A en B hebben respectievelijk een diafragmadiameter van 7 m en 5 μm voor VCSEL A op a 25°C en bij b 85 °C, en voor VCSEL B bij c 25°C en bij d 85 °C.

In het volgende geval behouden we de 5-μm oxide-opening en verkorten we de lengte van de holte tot λ/2. Figuur 5 a en b tonen de kleinsignaalmodulatierespons van VCSEL C bij 25 ° C en 85 ° C. Uit het simulatieresultaat van snelle optische respons blijkt dat het een goede bandbreedte van 3 dB heeft van 21,2 GHz en 19 GHz (VCSEL B) tot 30,5 GHz en 24,5 GHz (VCSEL C) en het geeft ook aan dat de bandbreedte van 3 dB is verbeterd met respectievelijk ongeveer 43,9% en 28,9%. Beide simulatieresultaten laten dus zien dat de VCSEL-apparaten die de lagere drempelstroom en grotere bandbreedte hebben, worden toegeschreven aan de toenemende opsluitingsfactor met een kortere holtelengte.

Simulatie van klein-signaalmodulatierespons voor VCSEL C:λ/2 holtelengte, 5 m diafragmadiameter bij a 25°C en bij b 85 °C

Afbeelding 6 toont gesimuleerde f3dB versus de vierkantswortel van (I − Ik _de ). De helling van deze gegevenspunten kan worden uitgedrukt als

$$ {\mathrm{f}}_{3\mathrm{dB}}=D\times \sqrt{I-{I}_{\mathrm{th}}} $$ (3)

De frequentie van 3 dB versus de vierkantswortel van (I -Ik _de ) van de simulatie voor VCSEL A,

VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (echt) bij a 25°C en b 85 °C

De D-factor is een belangrijke parameter die verband houdt met de interne kwantumefficiëntie en de differentiële versterking van de kwantumputten voor VCSEL die op hoge snelheid werken [29]. De D-factor was dus 6,9, 7,3 en 11 GHz/mA^1/2 bij 25°C voor respectievelijk VCSEL A-, B- en C-apparaten. Aan de andere kant was de D-factor 6,0, 6,7 en 9,4 GHz/mA^1/2 bij 85°C voor respectievelijk VCSEL A-, B- en C-apparaten. Uit onze resultaten blijkt dat de D-factor omgekeerd evenredig is met de diameter van de oxide-opening en de lengte van de holte. En de grotere D-factor gaat samen met een kleinere drempelstroom. Bovendien zijn de VCSEL's met kleinere oxide-openingsdiameters (5 μm) en kortere holtelengte (λ/2) bijzonder geschikt voor gegevensoverdracht met een lage energie per bit [30,31,32]. We verwachten dat de VCSEL een foutloze werkingssnelheid tot 50 Gb/s kan behalen.

Vervolgens hebben we het VCSEL-apparaat gefabriceerd en het simulatieresultaat en echte testgegevens vergeleken; vervolgens hebben we het VCSEL-apparaat gefabriceerd. In Fig. 6 was de D-factor van VCSEL C (reëel) 8,5 en 8,3 GHz/mA^1/2 bij respectievelijk 25°C en 85°C. Afbeelding 7 toont de gemeten kleinsignaalmodulatierespons bij 25°C en 85°C. Zoals we kunnen zien, is de meetbandbreedte van 3 dB 29,3 en 24,6 GHz bij respectievelijk 25 °C en 85 °C. In de echte apparaatbehuizing was het iets lager dan de simulatiebehuizing VCSEL C. Het verschil kan komen van het thermische effect en de parasitaire beperking als gevolg van de fabricage van het apparaat, zoals we eerder vermeldden. Vergeleken met de resultaten van anderen ligt onze simulatie dichter bij onze eigen experimenten [21,22,23]. Dit wijst erop dat ons VCSEL-simulatieresultaat kan worden toegepast op de hogesnelheidslaser.

Gemeten kleinsignaalmodulatierespons voor VCSEL C (reëel):λ/2 holtelengte, 5 m diafragmadiameter bij a 25°C en b 85 °C

Conclusies

Concluderend hebben we de oxide-opening en holtelengte van de VCSEL-structuur geoptimaliseerd door het PICS3D-simulatieprogramma. Op basis van deze resultaten hebben we VCSEL-apparaten van 50 Gb/s gefabriceerd. De resultaten toonden een afname van de drempelstroom en een verbetering van de bandbreedte van 3 dB in VCSEL-apparaten. Ten slotte zijn de snelle VCSEL-apparaten (tot 50 Gb/s datasnelheid bij 85 °C) gedemonstreerd en hebben ze met succes een PICS3D-model gemaakt voor het ontwerp van 50 Gb/s VCSEL-apparaten.