Diseño, modelado y fabricación de VCSEL de alta velocidad con velocidad de datos de hasta 50 Gb / s

Introducción

En unos pocos años, los diodos láser emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) se han convertido en transmisores favoritos para los enlaces de datos ópticos [1, 2]. Mientras tanto, los dispositivos GaAs VCSEL tienen algunas ventajas como la corriente de umbral bajo, el consumo de energía y el ángulo de divergencia pequeño, así como la iluminación del lado superior fácilmente para hacer una matriz. Su demanda ha crecido rápidamente junto con los enormes requisitos de Internet 5G, detección 3D, LiDAR, fotodetectores de alta velocidad, etc. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] .

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator en 3D) es un simulador 3D de última generación para diodos láser y dispositivos fotónicos activos relacionados. PISC3D es un solucionador numérico integral 3D que ofrece un tratamiento riguroso y autoconsistente de las propiedades térmicas, eléctricas y ópticas al resolver las ecuaciones relacionadas basadas en el método no lineal de Newton-Raphson. Su objetivo principal es proporcionar un simulador 3D para diodos láser emisores de bordes y superficies. También se ha ampliado para incluir modelos para otros componentes integrados o relacionados con el emisor láser. En este estudio, simulamos GaAs VCSEL; por supuesto, también se expandió fácilmente a GaN VCSEL, LED, etc. [15, 16].

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

Para lograr un ancho de banda de modulación alto, la mayoría de los diseñadores buscarían un factor D grande y un factor K razonablemente bajo, generalmente una ganancia diferencial alta mediante el uso de QW de deformación. Se necesita una vida útil baja del fotón sintonizando la fase del reflector Bragg distribuido en la parte superior (DBR) [18], un factor de confinamiento alto al emplear una cavidad corta y un óxido de cavidad pequeña. Por otro lado, la reducción de parásitos eléctricos también puede mejorar la velocidad de modulación. Estos incluyen la capacitancia parásita de las almohadillas de enlace, la unión de diodo intrínseca y el área de fuera de la apertura debajo de las almohadillas de contacto metálicas que conecta DBR, capas de oxidación, etc., y también incluye resistencia parásita de DBR, resistencia de unión. Sin embargo, la resistencia a los parásitos no es mejor tan baja como sea posible; debe coincidir con una impedancia de 50 ohmios. En cuanto al desarrollo de dispositivos VCSEL de alta velocidad para la comunicación de datos, existen varios artículos que registran el progreso [19, 20]. En la actualidad, Westbergh et al. Han demostrado con éxito los dispositivos VCSEL de 50 Gb / s 850 nm de última generación en la Universidad Tecnológica de Chalmers (CUT). y la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (UIUC) por Feng et al. [21,22,23]. Comparamos el resultado de nuestros experimentos en este estudio con otros laboratorios y nuestros datos se acercan mucho a sus resultados.

Sin embargo, la forma más eficaz de aumentar la ganancia diferencial es el uso de deformación de pozo cuántico múltiple (MQW), como la sustitución de GaAs / AlGaAs MQW por InGaAs / AlGaAs MQW [24, 25]. En el material basado en GaAs, la masa efectiva del hueco es mucho mayor que la masa efectiva del electrón, lo que hace que el nivel de cuasi-Fermi se separe hacia la banda de cenefa [26]. Por lo tanto, si implementamos la deformación en una capa activa, la masa efectiva del agujero se puede reducir significativamente porque la separación del nivel cuasi-Fermi es más equilibrada entre la conducción y la banda de cenefa. La ganancia diferencial se puede considerar como el crecimiento de la ganancia con la densidad de la portadora una vez que la separación de nivel cuasi-Fermi se vuelve más simétrica y, mientras tanto, la ganancia diferencial se volverá más compresiva en el MQW tenso. Además, la deformación también liberará el efecto de mezcla de la banda de cenefa al aumentar la diferencia de energía entre el agujero pesado y la banda del agujero ligero. En este estudio, la simulación numérica se optimizó para la estructura del dispositivo VCSEL a través del software Crosslight PICS3D [27].

Métodos / experimental

La Figura 1 muestra el esquema del dispositivo VCSEL de GaAs de 850 nm para la estructura de simulación en este estudio. Para este VCSEL de óxido, la estructura de la capa epitaxial de abajo hacia arriba incluye un sustrato de GaAs, n-DBR de 34 pares de Al _0.9 Ga _0.1 Como / Al _0.12 Ga _0,88 As, una capa activa InGaAs MQW con cinco In _0.08 Ga _0,92 QW sometidos a tensión separados por seis Al _0.37 Ga _0,63 Como capas de barrera cuántica, p-DBR y un p-GaAs fuertemente dopado como capa de contacto. Sin embargo, las capas p-DBR incluyen dos Al _0.98 Ga _0.02 Como capas de oxidación y cuatro Al _0.96 Ga _0.04 Como capas de oxidación y 13 pares de Al _0.9 Ga _0.1 Como / Al _0.12 Ga _0,88 Como capas. Hay dos tipos de tamaños de apertura de óxido, 5 μm y 7 μm en nuestro diseño. Los dos Al _0.98 Ga _0.02 Como capas de oxidación obtendrían un confinamiento de apertura para las funciones eléctricas y ópticas, y las cuatro Al _0.96 Ga _0.04 Como capas reducirían la capacitancia parásita y mejorarían aún más la respuesta óptica. Por lo tanto, calculamos el potencial eléctrico y la distribución de carga a través de la ecuación de Poisson, calculamos el transporte de portadora a partir de las ecuaciones de continuidad de la corriente, usamos la aproximación del método de índice efectivo (EIM) que se ha aplicado con éxito para calcular varias estructuras VCSEL y utilizamos el método de matriz de transferencia en el cálculo de la cavidad láser equivalente. En este estudio, para realizar nuestras simulaciones VCSEL, se aplicaron los módulos VCSEL en el software Crosslight PICS3D, que incluye efectos ópticos de cavidad DBR, mecánicos, eléctricos y térmicos cuánticos, con una interacción autoconsistente más fuerte que cualquier otro dispositivo optoelectrónico que se haya aplicado para realizar nuestra Simulaciones VCSEL. Teniendo en cuenta que la estructura VCSEL simulada es simétrica, se utilizó un sistema de coordenadas cilíndrico, en lugar del sistema de coordenadas cartesianas, para ahorrar tiempo de simulación. La sofisticada fórmula de iteración de Newton se utilizó en el software para garantizar que las respuestas correctas se encuentren 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 el rendimiento del dispositivo VCSEL. El VCSEL A y B están diseñados para una apertura de óxido de 7 μm y 5 μm con una longitud de cavidad de 3λ / 2, respectivamente. Por otro lado, VCSEL C adopta el diseño de una apertura de óxido de 5 μm con una longitud de cavidad de λ / 2.

El esquema del VCSEL de 850 nm de emisión superior

Resultados y discusión

En VCSEL A y B, las longitudes de sus cavidades son 3λ / 2 pero tienen diferentes diámetros de apertura de óxido de 7 μm (VCSEL A) y 5 μm (VCSEL B), respectivamente. A partir de los resultados de la simulación, las curvas L-I se muestran en la Fig. 2 ay b. Podemos ver el umbral de corriente de VCSEL B ( I _th 0,6 mA y 0,73 mA) siempre es menor que el VCSEL A ( I _th 0,82 mA y 0,94 mA) a 25 ° C y 85 ° C, respectivamente. Obviamente, el yo _th se vuelve más grande junto con el aumento del tamaño de la apertura del óxido. Para lograr el volumen de modo más pequeño posible en la dirección vertical y aumentar el factor D, se usa una cavidad ópticamente gruesa λ / 2 corta y luego se fija en la apertura de óxido de 5 μm en VCSEL C. A partir de la curva LI, podemos ver el umbral de corriente de VCSEL C ( I _th 0,55 mA y 0,67 mA) son siempre inferiores a VCSEL B ( I _th 0,6 mA y 0,73 mA) a 25 ° C y 85 ° C, respectivamente, como se muestra en la Fig.3 a. En los datos del experimento de VCSEL C (real), las curvas L-I-V se muestran en la Fig.3 b, la I _th de VCSEL C (real) son 0.8 mA y 1.08 mA a 25 ° C y 85 ° C, respectivamente. En el caso real, debido a que el efecto térmico puede inducir la diferencia de I _th entre el caso real y la simulación, se pueden esperar resultados.

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

un Las características de la corriente de luz para la simulación de VCSEL C:longitud de cavidad λ / 2, diámetro de apertura de 5 μm a 25 ° C y 85 ° C. b Las características de voltaje-corriente-luz medidas de VCSEL C a 25 ° C y 85 ° C

Según la frecuencia de resonancia ( fr ) y función de tasa de amortiguación,

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

donde D es el factor D, I es la actual, I _th es el umbral de corriente, η _i es la eficiencia cuántica interna, Г es el factor de confinamiento óptico, V _g es la velocidad del grupo, q es la carga elemental, V _a es el volumen de la región activa (ganancia), \ (\ frac {\ partial g} {\ partical n} \) es la ganancia diferencial, γ es el factor de amortiguación, K es el factor K, γ _o es la compensación del factor de amortiguación, τ _p es la vida útil del fotón, y ε es el factor de compresión de ganancia [28].

Por lo tanto, podemos mejorar la respuesta de frecuencia del rendimiento del dispositivo reduciendo la vida útil del fotón y el volumen efectivo del resonador y aumentando la ganancia diferencial. Con base 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 pequeña señal de VCSEL A y VCSEL B a 25 ° C y 85 ° C. A partir del resultado de la simulación de la respuesta óptica de alta velocidad, tiene un buen ancho de banda de 3 dB desde 18,4 GHz y 15,5 G Hz (VCSEL A) a 21,2 GHz y 19 GHz (VCSEL B) y también indica que el ancho de banda de 3 dB fue mejorado en aproximadamente un 15,2% y 22,5%, respectivamente. Por lo tanto, atribuido al factor de confinamiento creciente, los dispositivos VCSEL tienen el umbral de corriente más bajo en la emisión y el ancho de banda de la batería en VCSEL se puede atribuir al factor de confinamiento aumentado usando un tamaño de apertura de óxido más pequeño.

Simulación de la respuesta de modulación de señal pequeña para dispositivos VCSEL con una longitud de cavidad de 3λ / 2; por lo tanto, VCSEL A y B tienen un diámetro de apertura de 7 μm y 5 μm, respectivamente, para VCSEL A en 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 la cavidad a λ / 2. La Figura 5 ayb muestra la respuesta de modulación de pequeña señal de VCSEL C a 25 ° C y 85 ° C. A partir del resultado de la simulación de la respuesta óptica de alta velocidad, tiene un buen ancho de banda de 3 dB desde 21,2 GHz y 19 GHz (VCSEL B) a 30,5 GHz y 24,5 GHz (VCSEL C) y también indica que se mejoró el ancho de banda de 3 dB. en aproximadamente un 43,9% y un 28,9%, respectivamente. Por lo tanto, ambos resultados de la simulación muestran que los dispositivos VCSEL que tienen el umbral de corriente más bajo y el ancho de banda más grande se atribuyen al factor de confinamiento creciente que utilizan una longitud de cavidad más corta.

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

La Figura 6 muestra f3dB simulado versus la raíz cuadrada de ( I - yo _th ). La pendiente de estos puntos de datos se puede expresar como

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

La frecuencia de 3 dB frente a la raíz cuadrada de ( I - yo _th ) de la simulación para VCSEL A,

VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (real) en a 25 ° C y b 85 ° C

El factor D es un parámetro importante relacionado con la eficiencia cuántica interna y la ganancia diferencial de los pozos cuánticos para VCSEL que opera a alta velocidad [29]. Por lo tanto, 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 del óxido y la longitud de la cavidad. Y el factor D más grande estará junto con el umbral de corriente más pequeño. Además, los VCSEL con diámetros de apertura de óxido más pequeños (5 μm) y una longitud de cavidad más corta (λ / 2) son especialmente adecuados para la transmisión de datos a baja energía por bit [30,31,32]. Esperamos que VCSEL pueda alcanzar una tasa de funcionamiento sin errores de hasta 50 Gb / s.

A continuación, fabricamos el dispositivo VCSEL y comparamos el resultado de la simulación y los datos de prueba reales; a continuación, fabricamos el dispositivo VCSEL. En la 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 pequeña señal medida a 25 ° C y 85 ° C. Como podemos ver, el ancho de banda de medición de 3 dB es de 29,3 y 24,6 GHz a 25 ° C y 85 ° C, respectivamente. En el caso del dispositivo real, fue un poco más bajo que en el caso de simulación VCSEL C. La diferencia puede provenir del efecto térmico y la limitación parásita debido a la fabricación del dispositivo, como mencionamos anteriormente. En comparación con los resultados de otros, nuestra simulación está más cerca de nuestros propios experimentos [21, 22, 23]. Esto señala que nuestro resultado de simulación VCSEL se puede aplicar al láser de alta velocidad.

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

Conclusiones

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

Disponibilidad de datos y materiales

En el trabajo actual, los datos y el análisis están disponibles a través de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

Abreviaturas

EIM:

Método de índice efectivo

MQW:

Pozo cuántico múltiple

PICS3D:

Simulador de circuito integrado fotónico en 3D

QW:

Pozos cuánticos

DBR

Reflector Bragg distribuido

VCSEL:

Láseres emisores de superficie de cavidad vertical

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