Ontwerp, modellering, en fabricatie van 850-nm VCSELs die 50 Gb/s datarates halen

Samenvatting

We hebben de kenmerken van frequentierespons bij 850-nm GaAs hoog-snelheid vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) met verschillende soorten oxide apertuurgroottes en kaviteitslengte bestudeerd met het PICS3D simulatieprogramma. Met 5-µm oxide apertuurgroottes kan het frequentieresponsgedrag verbeterd worden van 18.4 GHz en 15.5 GHz naar 21.2 GHz en 19 GHz in een maximum van 3 dB bij 25 °C en 85 °C, respectievelijk. Numerieke simulateresultaten suggereren ook dat de frequentieresponsprestaties verbeteren van 21.2 GHz en 19 GHz naar 30.5 GHz en 24.5 GHz in een maximum van 3 dB bij 25 °C en 85 °C door de reductie van kaviteitslengte van 3λ/2 naar λ/2. Gevolgd, werden de hoog-snelheid VCSEL-apparaten geproduceerd op een gewijzigde structuur en vertoonden ze 50-Gb/s datarate bij 85 °C.

Inleiding

In een paar jaar zijn vertical-cavity surface-emitting laser diodes (VCSELs) favoriete zenders geworden voor optische datalinks [1, 2]. Tussenzeitse GaAs VCSEL-apparaten hebben voordelen zoals lage drempelstroom, stroomverbruik, en kleine divergente hoek, evenals bovenkantverlichting gemakkelijk om een array te maken. De vraag is snel gegroeid samen met enorme eisen voor 5G Internet, 3D sensing, LiDAR, hoge-snelheid fotodetectoren, etc. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14].

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) is een state-of-the-art 3D-simulator voor laserdioden en gerelateerde actieve fotonische apparaten. PICS3D is een 3D uitgebreide numerieke solver die rigoureuze en zelfconsistente behandeling van thermische, elektrische, en optische eigenschappen biedt door de gerelateerde vergelijkingen op te lossen gebaseerd op de niet-lineaire Newton-Raphson methode. Het primaire doel is om een 3D-simulator te bieden voor rand- en oppervlakte-emitterende laserdioden. Het is ook uitgebreid om modellen voor andere componenten geïntegreerd met of gerelateerd aan de laser-emitter te omvatten. In deze studie simuleerden we GaAs VCSEL; natuurlijk kan het ook gemakkelijk uitgebreid worden naar GaN VCSEL, LED, etc. [15, 16].

Het eerste oxidatieproces in III-V samenstellingmateriaal werd ontdekt aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign door Dallesasse en Holonyak in 1989 [17]. Door een oxidatieproces kunnen VCSEL-apparaten de grootte van de oxide apertuurdiameter vernauwen. Dus kan het niet alleen een enkele transversale modusoperatie bevorderen maar ook hoge-snelheidoperatie en single-mode prestaties.

Om een hoge modulatiebandbreedte te bereiken, zoeken de meeste ontwerpers een grote D-factor en redelijke lage K-factor, typisch een hoge differentiële winst door gebruik van gespannen QWs. Een lage fotonlevensduur door het tunen van de fase van de bovenste gedistribueerde Bragg-reflector (DBR) [18], een hoge insluitingsfactor door een korte kaviteit te gebruiken, en een kleine kaviteitsoxide zijn noodzakelijk. Aan de andere kant, het reduceren van elektrische parasitische elementen kan ook de modulatiesnelheid verbeteren. Deze omvatten parasitaire capaciteit van bondpads, intrinsieke diodejunctie, en het gebied van buiten apertuur onder metaalcontactpads wat DBRs, oxidatielagen, etc. verbindt, en ook parasitaire weerstand van DBRs, junctieweerstand. Echter, parasitaire weerstand is niet beter zolang mogelijk laag; het moet matchen met 50 Ohm impedantie. Betreffende de hoge-snelheid VCSEL-apparaatontwikkeling voor datacommunicatie, zijn er diverse papers die de voortgang vastleggen [19, 20]. Vandaag zijn state-of-the-art 50-Gb/s 850-nm VCSEL-apparaten met succes gedemonstreerd aan Chalmers University of Technology (CUT) door Westbergh et al. en University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) door Feng et al. [21,22,23]. We vergeleken onze experimenten resultaten in deze studie met andere labs, en onze data ligt veel dichter bij hun resultaten.

Echter, de meest effectieve manier om de differentiële winst te verhogen is het gebruik van gespannen meervoudige kwantumput (MQW), zoals het vervangen van de GaAs/AlGaAs MQW door de InGaAs/AlGaAs MQW [24, 25]. In het GaAs-gebaseerde materiaal is de gat-effectieve massa veel groter dan de elektron-effectieve massa, wat ervoor zorgt dat het quasi-Ferminiveau scheidt naar de valentieband [26]. Dus, als we spanning implementeren op een actieve laag, kan de effectieve gatmassa significant verminderd worden omdat de scheiding van het quasi-Ferminiveau meer gebalanceerd is tussen de geleidings- en valentieband. De differentiële winst kan beschouwd worden als de groei van winst met draagladingsdensiteit zodra de quasi-Ferminiveau-scheiding meer symmetrisch wordt, en tegelijkertijd zal de differentiële winst meer compressief worden in de gespannen MQW. Verder zal de spanning ook het valentieband-meng-effect vrijmaken door het energieverschil tussen de zware gat- en lichte gat-band te vergroten. In deze studie werd de numerieke simulatie geoptimaliseerd voor de VCSEL-apparaatstructuur door Crosslight PICS3D software [27].

Methoden/experimenteel

Figuur 1 toont het schematische van het 850-nm GaAs VCSEL-apparaat voor simulatiestructuur in deze studie. Voor deze oxide VCSEL, omvat de epitaxiale laagstructuur van onder naar boven een GaAs-substraat, n-DBR van 34 paren Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As, een InGaAs MQW-actieve laag met vijf In_0.08Ga_0.92As-gespannen QWs gescheiden door zes Al_0.37Ga_0.63As kwantumbarrièrelagen, p-DBR, en een zwaar gedopeerde p-GaAs als contactlaag. Echter, p-DBR-lagen omvatten twee Al_0.98Ga_0.02As oxidatielagen en vier Al_0.96Ga_0.04As oxidatielagen en 13 paren Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As lagen. Er zijn twee soorten oxide apertuurgroottes, 5 µm en 7 µm in ons ontwerp. De twee Al_0.98Ga_0.02As oxidatielagen zouden een apertuurbegrenzing krijgen voor de functies van elektrisch en optisch, en de vier Al_0.96Ga_0.04As-lagen zouden parasitaire capaciteit verminderen en de optische respons verder verbeteren. Dus berekenen we het elektrische potentiaal en ladingverdeling via de Poissonvergelijking, berekenen draagladingstransport uit de stroomcontinuïteitsvergelijkingen, gebruiken effective index method (EIM) benadering wat met succes toegepast is om diverse VCSEL-structuren te berekenen, en benutten de transfermatrixmethode in de berekening van equivalente laserkaviteit. In deze studie, toegepast om onze VCSEL-simulaties uit te voeren, waren de VCSEL-modules in Crosslight PICS3D software wat kwantummechanische, elektrische, thermische, en DBR-kaviteit optische effecten omvat, met sterkere zelfconsistente interactie dan enige andere opto-elektronische apparaten die toegepast werden om onze VCSEL-simulaties uit te voeren. Overwegend dat de gesimuleerde VCSEL-structuur symmetrisch is, werd een cylindrisch coördinatensysteem, in plaats van het Cartesische coördinatensysteem, gebruikt voor het besparen van simulatietijd. De gesofisticeerde Newton-iteratieformule werd gebruikt in de software om de juiste antwoorden te vinden in niet-lineaire vergelijkingen in de VCSEL-module. In dit rapport hebben we met name verschillende soorten oxide apertuurgroottes en kaviteitslengtes overwogen voor het verbeteren van VCSEL-apparaatprestaties. VCSEL A en B zijn ontworpen voor 7-µm en 5-µm oxide apertuur met 3λ/2 kaviteitslengte, respectievelijk. Aan de andere kant, VCSEL C adopteert het ontwerp van 5-µm oxide apertuur met λ/2 kaviteitslengte.

Het schematische van de top-emitterende 850-nm VCSEL

Resultaten en Discussie

In VCSEL A en B, hun kaviteitslengtes zijn 3λ/2 maar hebben verschillende oxide apertuurdiameters 7 µm (VCSEL A) en 5 µm (VCSEL B), respectievelijk. Uit simulateresultaten worden L-I curves afgebeeld in Fig. 2 a en b. We kunnen zien dat de drempelstroom van VCSEL B (I_th 0.6 mA en 0.73 mA) altijd lager is dan VCSEL A (I_th 0.82 mA en 0.94 mA) bij 25 °C en 85 °C, respectievelijk. Duidelijk wordt de I_th groter samen met toenemende oxide apertuurgrootte. Om de kleinst mogelijke modus-volume in de verticale richting te bereiken en de D-factor te verhogen, wordt een korte λ/2 optisch dikke kaviteit gebruikt en vervolgens vastgezet bij de 5-µm oxide apertuur in VCSEL C. Uit de L-I curve kunnen we zien dat de drempelstroom van VCSEL C (I_th 0.55 mA en 0.67 mA) altijd lager is dan VCSEL B (I_th 0.6 mA en 0.73 mA) bij 25 °C en 85 °C, respectievelijk, zoals getoond in Fig. 3 a. In de experimentdata van VCSEL C (echt), worden L-I-V curves getoond in Fig. 3 b, de I_th van VCSEL C (echt) zijn 0.8 mA en 1.08 mA bij 25 °C en 85 °C, respectievelijk. In het echte geval, omdat het thermische effect het verschil van I_th tussen het echte geval en simulatie kan induceren, kunnen resultaten verwacht worden.

De licht-stroom karakteristieken voor de simulatie van VCSEL-apparaten met 3λ/2 kaviteitslengte voor a VCSEL A: 7 µm apertuurgrootte bij 25 °C en bij 85 °C, en b VCSEL B: 5 µm apertuurgrootte bij 25 °C en bij 85 °C

a De licht-stroom karakteristieken voor de simulatie van VCSEL C: λ/2 kaviteitslengte, 5 µm apertuurgrootte bij 25 °C en 85 °C. b De gemeten licht-stroom-spanningskarakteristieken van VCSEL C bij 25 °C en 85 °C

Volgens resonante frequentie (f_r) en dempingssnelheidsfunctie,

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

waarbij D de D-factor is, I de stroom, I_th de drempelstroom, η_i de interne kwantumefficiëntie, Г de optische insluitingsfactor, V_g de groepssnelheid, q de elementaire lading, V_a het volume van de actieve (winst) regio, ∂g/∂n de differentiële winst, γ de dempingsfactor, K de K-factor, γ_o de dempingsfactor offset, τ_p de fotonlevensduur, en ε de winstcompressiefactor [28].

Dus kunnen we de frequentierespons van apparaatprestaties verbeteren door de levensduur van foton en het effectieve volume van de resonator te verminderen en de differentiële winst te verhogen. Op basis van deze overwegingen gebruiken we dezelfde parameters voor de volgende sectie om de optische respons te verbeteren. Figuur 4 a-d toont de kleine-signaal modulatie-respons van VCSEL A en VCSEL B bij 25 °C en 85 °C. Uit het simulateresultaat van hoge-snelheid optische respons, heeft het een goede 3-dB bandbreedte van 18.4 GHz en 15.5 GHz (VCSEL A) naar 21.2 GHz en 19 GHz (VCSEL B) en het geeft ook aan dat de 3-dB bandbreedte verbeterd werd met ongeveer 15.2% en 22.5%, respectievelijk. Dus, toegeschreven aan de toenemende insluitingsfactor, hebben de VCSEL-apparaten de lagere drempelstroom in de emissie en de betere bandbreedte in VCSEL kan toegeschreven worden aan de insluitingsfactor verhoogd door kleinere oxide apertuurgrootte.

Simulatie van kleine-signaal modulatie-respons voor VCSEL-apparaten met 3λ/2 kaviteitslengte; dus, VCSEL A en B zijn met 7 µm en 5 µm apertuurgrootte, respectievelijk, voor VCSEL A bij 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, houden we de 5-µm oxide apertuur en verkorten de kaviteitslengte naar λ/2. Figuur 5 a en b toont de kleine-signaal modulatie-respons van VCSEL C bij 25 °C en 85 °C. Uit het simulateresultaat van hoge-snelheid optische respons, heeft het een goede 3-dB bandbreedte van 21.2 GHz en 19 GHz (VCSEL B) naar 30.5 GHz en 24.5 GHz (VCSEL C) en het geeft ook aan dat de 3-dB bandbreedte verbeterd werd met ongeveer 43.9% en 28.9%, respectievelijk. Dus tonen beide simulateresultaten aan dat de VCSEL-apparaten die de lagere drempelstroom en grotere bandbreedte hebben, toegeschreven aan de toenemende insluitingsfactor door kortere kaviteitslengte.

Simulatie van kleine-signaal modulatie-respons voor VCSEL C: λ/2 kaviteitslengte, 5 µm apertuurgrootte bij a 25 °C en bij b 85 °C

Figuur 6 toont gesimuleerde f_3dB versus de vierkantswortel van (I − I_th). De helling van deze datapunten kan uitgedrukt worden als

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

De 3-dB frequentie versus de vierkantswortel van (I-I_th) 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 gerelateerd is aan interne kwantumefficiëntie en de differentiële winst van de kwantumputten voor VCSEL opererend op hoge snelheid [29]. Dus was de D-factor 6.9, 7.3, en 11 GHz/mA^1/2 bij 25 °C voor VCSEL A, B, en C apparaten, respectievelijk. Aan de andere kant, was de D-factor 6.0, 6.7, en 9.4 GHz/mA^1/2 bij 85 °C voor VCSEL A, B, en C apparaten, respectievelijk. Uit onze resultaten is de D-factor omgekeerd evenredig met de oxide apertuurgrootte en kaviteitslengte. En de grotere D-factor zal samen gaan met kleinere drempelstroom. Verder zijn VCSELs met kleinere oxide apertuurgroottes (5 µm) en kortere kaviteitslengte (λ/2) bijzonder goed geschikt voor datatransmissie bij lage energie per bit [30,31,32]. We verwachten dat de VCSEL foutloze operatie-snelheid tot 50 Gb/s kan bereiken.

Vervolgens, we produceerden het VCSEL-apparaat en vergelijken het simulateresultaat en echte testdata; vervolgens produceerden we het VCSEL-apparaat. In Fig. 6, was de D-factor van VCSEL C (echt) 8.5 en 8.3 GHz/mA^1/2 bij 25 °C en 85 °C, respectievelijk. Figuur 7 toont de gemeten kleine-signaal modulatie-respons bij 25 °C en 85 °C. Zoals we kunnen zien, is de 3-dB bandbreedte van meting 29.3 en 24.6 GHz bij 25 °C en 85 °C, respectievelijk. In het echte apparaatgeval was het een beetje lager dan het simulatiegeval VCSEL C. Het verschil kan komen van het thermische effect en parasitaire beperking door apparaatfabricatie, zoals we eerder noemden. Vergeleken met andermans resultaten, is onze simulatie dichter bij onze eigen experimenten [21,22,23]. Dit wijst erop dat ons VCSEL-simulatieresultaat toegepast kan worden voor de hoge-snelheid laser.

Gemeten kleine-signaal modulatie-respons voor VCSEL C (echt): λ/2 kaviteitslengte, 5 µm apertuurgrootte bij a 25 °C en b 85 °C

Conclusies

Concluderend, we optimaliseerden de oxide apertuur en kaviteitslengte van de VCSEL-structuur door het PICS3D simulatieprogramma. Verwijzend naar deze resultaten, produceerden we 50-Gb/s VCSEL-apparaten. De resultaten toonden een daling in drempelstroom en verbetering van 3-dB bandbreedte in VCSEL-apparaten. Uiteindelijk, de hoge-snelheid VCSEL-apparaten (tot 50-Gb/s datarate bij 85 °C) waren gedemonstreerd en met succes om PICS3D-model voor 50-Gb/s VCSEL-apparaatontwerp te creëren.