Diseño, modelado y fabricación de VCSELs de 850 nm logrando tasas de datos de 50 Gb/s

Resumen

Hemos estudiado las características de respuesta en frecuencia a 850 nm de láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) GaAs de alta velocidad con diferentes tamaños de apertura de óxido y longitud de cavidad usando el programa de simulación PICS3D. Usando tamaños de apertura de óxido de 5 μm, la respuesta en frecuencia puede mejorarse de 18.4 GHz y 15.5 GHz a 21.2 GHz y 19 GHz en un máximo de 3 dB a 25 °C y 85 °C, respectivamente. Los resultados de simulación numérica también sugieren que el rendimiento de respuesta en frecuencia mejoró de 21.2 GHz y 19 GHz a 30.5 GHz y 24.5 GHz en un máximo de 3 dB a 25 °C y 85 °C debido a la reducción de longitud de cavidad de 3λ/2 a λ/2. Consecuentemente, los dispositivos VCSEL de alta velocidad se fabricaron en una estructura modificada y exhibieron tasa de datos de 50 Gb/s a 85 °C.

Introducción

En pocos años, los diodos láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) se han convertido en transmisores favoritos para enlaces de datos ópticos [1, 2]. Mientras tanto, dispositivos VCSEL GaAs tienen ventajas como corriente umbral baja, consumo de potencia, y ángulo de divergencia pequeño, así como iluminación lateral superior facilitando la fabricación de arrays. Su demanda ha crecido rápidamente junto con enormes requisitos para Internet 5G, detección 3D, LiDAR, fotodetectores de alta velocidad, etc. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14].

PICS3D (Simulador de Circuitos Fotónicos Integrados en 3D) es un simulador 3D de vanguardia para diodos láser y dispositivos fotónicos activos relacionados. PISC3D es un solucionador numérico 3D comprehensivo que ofrece tratamiento riguroso y autoconsistente en propiedades térmicas, eléctricas y ópticas resolviendo ecuaciones relacionadas basadas en el método no lineal Newton-Raphson. Su objetivo primario es proporcionar un simulador 3D para diodos láser de emisión lateral y superficial. También se ha expandido para incluir modelos para otros componentes integrados o relacionados con el emisor láser. En este estudio, simulamos VCSEL GaAs; por supuesto, también se expande fácilmente a VCSEL GaN, LED, etc. [15, 16].

El primer proceso de oxidación en material compuesto III-V fue descubierto en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign por Dallesasse y Holonyak en 1989 [17]. A través de un proceso de oxidación, los dispositivos VCSEL pueden reducir el tamaño de diámetro de apertura de óxido. Así, no solo promueve operación de modo transversal único sino también operación de alta velocidad y rendimiento de modo único.

Para lograr ancho de banda de modulación alto, la mayoría de diseñadores buscarían un factor D grande y factor K razonablemente bajo, típicamente una alta ganancia diferencial usando pozos cuánticos (QW) tensionados. Una vida de fotón baja sintonizando la fase del reflector Bragg distribuido (DBR) superior [18], un alto factor de confinamiento empleando cavidad corta, y una pequeña apertura de cavidad de óxido son necesarios. Por otro lado, reducir parásitos eléctricos también puede mejorar velocidad de modulación. Estos incluyen capacitancia parásita de pads de unión, unión diodo intrínseca, y área fuera de apertura bajo pads de contacto metálico que conecta DBRs, capas de oxidación, etc., e también incluyen resistencia parásita de DBRs, resistencia de unión. Sin embargo, la resistencia parásita no es mejor tan baja como sea posible; necesita igualar impedancia de 50 Ohm. Respecto al desarrollo de dispositivos VCSEL de alta velocidad para comunicación de datos, hay varios artículos que registran el progreso [19, 20]. Hoy, dispositivos VCSEL 50-Gb/s 850-nm de vanguardia han sido demostrados exitosamente en Chalmers University of Technology (CUT) por Westbergh et al. y en University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) por Feng et al. [21,22,23]. Comparamos nuestros resultados experimentales en este estudio con otros laboratorios, y nuestros datos están muy cerca de sus resultados.

Sin embargo, la forma más efectiva de aumentar la ganancia diferencial es el uso de pozos cuánticos múltiples (MQW) tensionados, como reemplazar MQW GaAs/AlGaAs por MQW InGaAs/AlGaAs [24, 25]. En material basado en GaAs, la masa efectiva de hueco es mucho mayor que la masa efectiva de electrón, lo que causa que el cuasi-nivel de Fermi se separe hacia la banda de valencia [26]. Por tanto, si implementamos tensión en capa activa, la masa efectiva de hueco puede reducirse significativamente porque la separación del cuasi-nivel de Fermi se vuelve más balanceada entre banda de conducción y valencia. La ganancia diferencial puede considerarse como el crecimiento de ganancia con densidad de portadores una vez que la separación del cuasi-nivel de Fermi se vuelve más simétrica, y mientras tanto, la ganancia diferencial se volverá más compresiva en el MQW tensionado. Además, la tensión también liberará el efecto de mezcla de banda de valencia al aumentar la diferencia de energía entre banda de hueco pesado y ligero. En este estudio, la simulación numérica se optimizó a la estructura de dispositivo VCSEL a través del software Crosslight PICS3D [27].

Métodos/Experimental

La Figura 1 muestra el esquema del dispositivo VCSEL GaAs de 850 nm para estructura de simulación en este estudio. Para este VCSEL de óxido, la estructura de capa epitaxial de abajo a arriba incluye sustrato GaAs, DBR tipo-n de 34 pares de Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As, capa activa MQW InGaAs con cinco QWs tensionados In_0.08Ga_0.92As separados por seis capas de barrera cuántica Al_0.37Ga_0.63As, DBR tipo-p, y una capa de contacto p-GaAs fuertemente dopada. Sin embargo, capas DBR tipo-p incluyen dos capas de oxidación Al_0.98Ga_0.02As y cuatro capas de oxidación Al_0.96Ga_0.04As y 13 pares de capas Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As. Hay dos tipos de tamaños de apertura de óxido, 5 μm y 7 μm en nuestro diseño. Las dos capas de oxidación Al_0.98Ga_0.02As obtendrían confinamiento de apertura para funciones eléctricas y ópticas, y las cuatro capas Al_0.96Ga_0.04As reducirían capacitancia parásita y mejorarían aún más la respuesta óptica. Así, calculamos el potencial eléctrico y distribución de carga vía ecuación de Poisson, calculamos transporte de portadores desde ecuaciones de continuidad de corriente, usamos aproximación de índice efectivo (EIM) que se ha aplicado exitosamente para calcular varias estructuras VCSEL, y utilizamos método de matriz de transferencia en cálculo de cavidad láser equivalente. En este estudio, se aplicó para realizar nuestras simulaciones VCSEL los módulos VCSEL en software Crosslight PICS3D que incluye efectos cuánticos, eléctricos, térmicos y ópticos de cavidad DBR, con interacción autoconsistente más fuerte que cualquier otro dispositivo optoelectrónico aplicado para realizar nuestras simulaciones VCSEL. Considerando que la estructura VCSEL simulada es simétrica, se usó sistema de coordenadas cilíndrico en lugar del sistema de coordenadas cartesianas para ahorrar tiempo de simulación. La sofisticada fórmula de iteración Newton se utilizó en el software para asegurar respuestas correctas en ecuaciones no lineales en el módulo VCSEL. En este informe, hemos considerado especialmente diferentes tipos de tamaños de apertura de óxido y longitudes de cavidad para mejorar rendimiento de dispositivo VCSEL. VCSEL A y B están diseñados para apertura de óxido 7-μm y 5-μm con longitud de cavidad 3λ/2, respectivamente. Por otro lado, VCSEL C adopta diseño de apertura de óxido 5-μm con longitud de cavidad λ/2.

Esquema del VCSEL emisor superior de 850 nm

Resultados y Discusión

En VCSEL A y B, sus longitudes de cavidad son 3λ/2 pero tienen diferentes diámetros de apertura de óxido 7 μm (VCSEL A) y 5 μm (VCSEL B), respectivamente. De resultados de simulación, curvas L-I se representan en Fig. 2 a y b. Podemos ver la corriente umbral de VCSEL B (I_th 0.6 mA y 0.73 mA) es siempre menor que VCSEL A (I_th 0.82 mA y 0.94 mA) a 25 °C y 85 °C, respectivamente. Obviamente, el I_th se vuelve mayor junto con aumento de tamaño de apertura de óxido. Para lograr el menor modo-volumen posible en dirección vertical y aumentar el factor D, se usa una cavidad ópticamente gruesa λ/2 corta y luego se fija en apertura de óxido de 5-μm en VCSEL C. De la curva L-I, vemos que la corriente umbral de VCSEL C (I_th 0.55 mA y 0.67 mA) son siempre menores que VCSEL B (I_th 0.6 mA y 0.73 mA) a 25 °C y 85 °C, respectivamente, como se muestra en Fig. 3 a. En datos experimentales de VCSEL C (real), curvas L-I-V se muestran en Fig. 3 b, el I_th de VCSEL C (real) son 0.8 mA y 1.08 mA a 25 °C y 85 °C, respectivamente. En caso real, porque el efecto térmico puede inducir diferencia de I_th entre caso real y simulación, se pueden esperar resultados.

Características luz-corriente para simulación de dispositivos VCSEL con longitud de cavidad 3λ/2 para a VCSEL A: 7 μm diámetro de apertura a 25 °C y 85 °C, y b VCSEL B: 5 μm diámetro de apertura a 25 °C y 85 °C

a Características luz-corriente para simulación de VCSEL C: longitud de cavidad λ/2, 5 μm diámetro de apertura a 25 °C y 85 °C. b Características luz-corriente-medida de VCSEL C a 25 °C y 85 °C

Según frecuencia de resonancia (fr) y función de tasa de amortiguamiento,

$$ fr=D\bullet \sqrt{I-{I}_{\mathrm{th}}}\ \mathrm{where}\ D=\frac{1}{2\pi}\bullet \sqrt{\frac{\eta_i\Gamma {V}_g}{q{V}_a}\bullet \frac{\partial g}{\partial n}} $$ (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)

donde D es el factor D, I es la corriente, I_th es la corriente umbral, η_i es la eficiencia cuántica interna, Г es el factor de confinamiento óptico, V_g es la velocidad de grupo, q es la carga elemental, V_a es el volumen de la región activa (ganancia), $ \frac{\partial g}{\partial n} $ es la ganancia diferencial, γ es el factor de amortiguamiento, K es el factor K, γ_o es el offset de factor de amortiguamiento, τ_p es la vida de fotón, y ε es el factor de compresión de ganancia [28].

Así, podemos mejorar la respuesta en frecuencia de rendimientos de dispositivo reduciendo la vida de fotón y el volumen efectivo del resonador y aumentando ganancia diferencial. Basado en estas consideraciones, usamos los mismos parámetros para la siguiente sección para mejorar la respuesta óptica. La Figura 4 a–d muestra la respuesta de modulación de señal pequeña de VCSEL A y VCSEL B a 25 °C y 85 °C. Del resultado de simulación de respuesta óptica de alta velocidad, tiene buen ancho de banda 3-dB de 18.4 GHz y 15.5 GHz (VCSEL A) a 21.2 GHz y 19 GHz (VCSEL B) y también indica el ancho de banda 3-dB fue mejorado aproximadamente 15.2% y 22.5%, respectivamente. Así, atribuido al factor de confinamiento creciente, los dispositivos VCSEL tienen menor corriente umbral en la emisión y el mejor ancho de banda en VCSEL puede atribuirse al factor de confinamiento aumentado usando menor tamaño de apertura de óxido.

Simulación de respuesta de modulación de señal pequeña para dispositivos VCSEL con longitud de cavidad 3λ/2; así, VCSEL A y B son con 7 μm y 5 μm diámetro de apertura, respectivamente, para VCSEL A a a 25 °C y b 85 °C, y para VCSEL B a c 25 °C y d 85 °C.

En el siguiente caso, mantenemos la apertura de óxido de 5-μm y acortamos la longitud de cavidad a λ/2. La Figura 5 a y b muestra la respuesta de modulación de señal pequeña de VCSEL C a 25 °C y 85 °C. Del resultado de simulación de respuesta óptica de alta velocidad, tiene buen ancho de banda 3-dB de 21.2 GHz y 19 GHz (VCSEL B) a 30.5 GHz y 24.5 GHz (VCSEL C) y también indica el ancho de banda 3-dB fue mejorado aproximadamente 43.9% y 28.9%, respectivamente. Así, ambos resultados de simulación muestran que los dispositivos VCSEL que tienen menor corriente umbral y mayor ancho de banda atribuidos al factor de confinamiento creciente usando longitud de cavidad más corta.

Simulación de respuesta de modulación de señal pequeña para VCSEL C: longitud de cavidad λ/2, 5 μm diámetro de apertura a a 25 °C y b 85 °C

La Figura 6 muestra f3dB simulado versus raíz cuadrada de (I − I_th). La pendiente de estos puntos de datos puede expresarse como

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

Frecuencia 3-dB versus raíz cuadrada de (I-I_th) de la simulación para VCSEL A, VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (real) a a 25 °C y b 85 °C

El factor D es un parámetro importante relacionado con eficiencia cuántica interna y ganancia diferencial de pozos cuánticos para VCSEL operando a alta velocidad [29]. Así, el factor D fue 6.9, 7.3 y 11 GHz/mA^1/2 a 25 °C para dispositivos VCSEL A, B y C, respectivamente. Por otro lado, el factor D fue 6.0, 6.7 y 9.4 GHz/mA^1/2 a 85 °C para dispositivos VCSEL A, B y C, respectivamente. De nuestros resultados, el factor D es inversamente proporcional al diámetro de apertura de óxido y longitud de cavidad. Y el mayor factor D irá junto con menor corriente umbral. Además, los VCSELs con menores diámetros de apertura de óxido (5 μm) y menor longitud de cavidad (λ/2) son especialmente adecuados para transmisión de datos a baja energía por bit [30,31,32]. Esperamos que el VCSEL pueda lograr operación libre de errores hasta 50 Gb/s.

Luego, fabricamos el dispositivo VCSEL y comparamos resultado de simulación y datos de prueba real; luego fabricamos el dispositivo VCSEL. En Fig. 6, el factor D de VCSEL C (real) fue 8.5 y 8.3 GHz/mA^1/2 a 25 °C y 85 °C, respectivamente. La Figura 7 muestra la respuesta de modulación de señal pequeña medida a 25 °C y 85 °C. Como vemos, el ancho de banda 3-dB de medición es 29.3 y 24.6 GHz a 25 °C y 85 °C, respectivamente. En caso de dispositivo real, fue un poco menor que el caso de simulación VCSEL C. La diferencia puede venir del efecto térmico y limitación parásita debido a fabricación de dispositivo, como mencionamos antes. Comparado con resultados de otros, nuestra simulación está más cerca de nuestros propios experimentos [21,22,23]. Esto señala que nuestro resultado de simulación VCSEL puede aplicarse para láser de alta velocidad.

Respuesta de modulación de señal pequeña medida para VCSEL C (real): longitud de cavidad λ/2, 5 μm diámetro de apertura a a 25 °C y b 85 °C

Conclusiones

En conclusión, optimizamos la apertura de óxido y longitud de cavidad de la estructura VCSEL por el programa de simulación PICS3D. Refiriéndonos a estos resultados, fabricamos dispositivos VCSEL de 50 Gb/s. Los resultados mostraron disminución en corriente umbral y mejora de ancho de banda 3-dB en dispositivos VCSEL. Finalmente, los dispositivos VCSEL de alta velocidad (hasta tasa de datos 50-Gb/s a 85 °C) habían sido demostrados y exitosamente para crear modelo PICS3D para diseño de dispositivo VCSEL 50-Gb/s.