Design, Modellierung und Herstellung von Hochgeschwindigkeits-VCSEL mit einer Datenrate von bis zu 50 Gb/s

Zusammenfassung

Wir haben die Eigenschaften des Frequenzgangs bei 850-nm-GaAs-Hochgeschwindigkeitslaser mit vertikaler Kavität (VCSELs) mit verschiedenen Arten von Oxidaperturgrößen und Kavitätenlängen unter Verwendung des PICS3D-Simulationsprogramms untersucht. Mit 5-μm-Oxid-Aperturgrößen kann das Frequenzgangverhalten von 18,4 GHz und 15,5 GHz auf 21,2 GHz und 19 GHz in einem Maximum von 3 dB bei 25°C bzw. 85°C verbessert werden. Numerische Simulationsergebnisse deuten auch darauf hin, dass sich die Frequenzantwortleistung von 21,2 GHz und 19 GHz auf 30,5 GHz und 24,5 GHz in einem Maximum von 3 dB bei 25 °C und 85 °C aufgrund der Reduzierung der Resonatorlänge von 3λ/2 auf λ . verbessert hat /2. Folglich wurden die Hochgeschwindigkeits-VCSEL-Bauelemente auf einer modifizierten Struktur hergestellt und zeigten eine Datenrate von 50 Gb/s bei 85 °C.

Einführung

In wenigen Jahren haben sich die oberflächenemittierenden Laserdioden (VCSELs) mit vertikaler Kavität zu bevorzugten Sendern für optische Datenverbindungen entwickelt [1, 2]. Unterdessen haben GaAs-VCSEL-Bauelemente einige Vorteile wie einen niedrigen Schwellenstrom, einen geringen Stromverbrauch und einen kleinen Divergenzwinkel sowie eine einfache Beleuchtung der Oberseite, um ein Array herzustellen. Die Nachfrage ist schnell gestiegen, zusammen mit den enormen Anforderungen an 5G-Internet, 3D-Sensorik, LiDAR, Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren usw. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] .

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) ist ein hochmoderner 3D-Simulator für Laserdioden und verwandte aktive photonische Geräte. PISC3D ist ein umfassender numerischer 3D-Löser, der eine rigorose und selbstkonsistente Behandlung von thermischen, elektrischen und optischen Eigenschaften bietet, indem die zugehörigen Gleichungen basierend auf der nichtlinearen Newton-Raphson-Methode gelöst werden. Sein primäres Ziel ist die Bereitstellung eines 3D-Simulators für kanten- und oberflächenemittierende Laserdioden. Es wurde auch um Modelle für andere Komponenten erweitert, die mit dem Laser-Emitter integriert oder mit diesem verbunden sind. In dieser Studie haben wir GaAs-VCSEL simuliert; natürlich lässt es sich auch problemlos auf GaN-VCSEL, LED usw. erweitern [15, 16].

Der erste Oxidationsprozess in III-V-Verbindungsmaterial wurde 1989 an der University of Illinois in Urbana-Champaign von Dallesasse und Holonyak entdeckt [17]. Durch einen Oxidationsprozess können die VCSEL-Bauelemente die Größe des Oxidaperturdurchmessers verkleinern. Somit kann es nicht nur einen Single-Transversal-Mode-Betrieb fördern, sondern auch einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und eine Single-Mode-Leistung.

Um eine hohe Modulationsbandbreite zu erreichen, würden die meisten Designer einen großen D-Faktor und einen angemessen niedrigen K-Faktor anstreben, typischerweise eine hohe Differenzverstärkung durch Verwendung von Dehnungs-QWs. Eine niedrige Photonenlebensdauer durch Abstimmung der Phase des Top Distributed Bragg Reflektors (DBR) [18], ein hoher Einschlussfaktor durch Verwendung einer kurzen Kavität und ein kleines Kavitätenoxid sind erforderlich. Andererseits kann die Reduzierung elektrischer Parasiten auch die Modulationsgeschwindigkeit verbessern. Diese umfassen parasitäre Kapazität von Bondpads, intrinsischen Diodenübergängen und den Bereich außerhalb der Öffnung unter Metallkontaktpads, der DBRs, Oxidationsschichten usw. verbindet, und umfassen auch parasitären Widerstand von DBRs, Übergangswiderstand. Allerdings ist die parasitäre Resistenz nicht besser so gering wie möglich; sie muss einer Impedanz von 50 Ohm entsprechen. Bezüglich der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-VCSEL-Geräten für die Datenkommunikation gibt es mehrere Veröffentlichungen, die den Fortschritt dokumentieren [19, 20]. Heute wurden die hochmodernen 50-Gb/s-850-nm-VCSEL-Geräte von Westbergh et al. erfolgreich an der Chalmers University of Technology (CUT) demonstriert. und University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) von Feng et al. [21,22,23]. Wir haben die Ergebnisse unserer Experimente in dieser Studie mit denen anderer Labore verglichen und unsere Daten sind ihren Ergebnissen sehr nahe.

Der effektivste Weg, um die Differenzverstärkung zu erhöhen, ist jedoch die Verwendung von Strain-Multiple-Quanten-Well (MQW), wie z. B. das Ersetzen des GaAs/AlGaAs-MQW durch das InGaAs/AlGaAs-MQW [24, 25]. In dem GaAs-basierten Material ist die effektive Lochmasse viel größer als die effektive Elektronenmasse, was bewirkt, dass sich das Quasi-Fermi-Niveau in Richtung des Valenzbandes aufspaltet [26]. Wenn wir also die Spannung auf eine aktive Schicht implementieren, kann die effektive Lochmasse erheblich reduziert werden, da die Trennung des Quasi-Fermi-Niveaus zwischen Leitungs- und Valanzband ausgeglichener ist. Die Differenzverstärkung kann als Zunahme der Verstärkung mit der Trägerdichte betrachtet werden, sobald die Quasi-Fermi-Pegeltrennung symmetrischer wird, und in der Zwischenzeit wird die Differenzverstärkung in der verspannten MQW kompressiver. Darüber hinaus wird die Belastung auch den Valance-Band-Mischeffekt freisetzen, indem die Energiedifferenz zwischen dem Schwerloch- und dem Leichtlochband erhöht wird. In dieser Studie wurde die numerische Simulation durch die Crosslight PICS3D-Software [27] auf die VCSEL-Gerätestruktur optimiert.

Methoden/experimentell

Abbildung 1 zeigt das Schema des 850-nm-GaAs-VCSEL-Bauelements für die Simulationsstruktur in dieser Studie. Bei diesem Oxid-VCSEL umfasst die epitaktische Schichtstruktur von unten nach oben ein GaAs-Substrat, n-DBR von 34 Paaren von Al_0,9 Ga_0,1 As/Al_0,12 Ga_0,88 As, eine aktive InGaAs-MQW-Schicht mit fünf In_0,08 Ga_0.92 QWs wie gedehnt, getrennt durch sechs Al_0,37 Ga_0,63 B. Quantenbarriereschichten, p-DBR und ein stark dotiertes p-GaAs als Kontaktschicht. p-DBR-Schichten enthalten jedoch zwei Al_0.98 Ga_0,02 Als Oxidationsschichten und vier Al_0.96 Ga_0.04 Als Oxidationsschichten und 13 Paare von Al_0.9 Ga_0,1 As/Al_0,12 Ga_0,88 Als Schichten. Es gibt zwei Arten von Oxidöffnungsgrößen, 5 µm und 7 µm in unserem Design. Die beiden Al_0.98 Ga_0,02 Als Oxidationsschichten würden eine Aperturbegrenzung für die Funktionen der elektrischen und optischen und die vier Al_0.96 Ga_0.04 B. Schichten, die parasitäre Kapazität reduzieren und das optische Ansprechverhalten weiter verbessern würden. Daher berechnen wir das elektrische Potenzial und die Ladungsverteilung über die Poisson-Gleichung, berechnen den Ladungsträgertransport aus den aktuellen Kontinuitätsgleichungen, verwenden die Effektivindexmethode (EIM)-Approximation, die erfolgreich zur Berechnung verschiedener VCSEL-Strukturen angewendet wurde, und verwenden die Transfermatrixmethode in die Berechnung der äquivalenten Laserkavität. In dieser Studie wurden zur Durchführung unserer VCSEL-Simulationen die VCSEL-Module in der Crosslight PICS3D-Software verwendet, die quantenmechanische, elektrische, thermische und optische DBR-Resonator-Effekte mit stärkerer selbstkonsistenter Wechselwirkung als alle anderen optoelektronischen Geräte umfasst, die zur Durchführung unserer VCSEL-Simulationen. Da die simulierte VCSEL-Struktur symmetrisch ist, wurde ein zylindrisches Koordinatensystem anstelle des kartesischen Koordinatensystems verwendet, um Simulationszeit zu sparen. Die ausgeklügelte Newton-Iterationsformel wurde in der Software verwendet, um sicherzustellen, dass die richtigen Antworten in nichtlinearen Gleichungen im VCSEL-Modul gefunden werden. In diesem Bericht haben wir insbesondere verschiedene Arten von Oxidöffnungsgrößen und Hohlraumlängen betrachtet, um die Leistung von VCSEL-Bauelementen zu verbessern. Die VCSEL A und B sind für 7-μm- bzw. 5-μm-Oxidaperturen mit einer Resonatorlänge von 3λ/2 ausgelegt. Andererseits verwendet VCSEL C das Design einer 5-μm-Oxidapertur mit einer Resonatorlänge von λ/2.

Das Schema des nach oben emittierenden 850-nm-VCSEL

Ergebnisse und Diskussion

In VCSEL A und B betragen ihre Resonatorlängen 3λ/2, haben jedoch unterschiedliche Oxidaperturdurchmesser 7 μm (VCSEL A) bzw. 5 μm (VCSEL B). Aus Simulationsergebnissen sind L-I-Kurven in Abb. 2 a und b dargestellt. Wir können den Schwellenstrom von VCSEL B sehen (I _te 0,6 mA und 0,73 mA) ist immer niedriger als der VCSEL A (I _te 0,82 mA und 0,94 mA) bei 25 °C bzw. 85 °C. Offensichtlich ist das Ich _te wird zusammen mit zunehmender Oxidaperturgröße größer. Um ein kleinstmögliches Modenvolumen in vertikaler Richtung zu erreichen und den D-Faktor zu erhöhen, wird eine kurze optisch dicke Kavität von λ/2 verwendet und dann an der 5-μm-Oxidapertur in VCSEL C fixiert. Aus der LI-Kurve können wir siehe Schwellenstrom von VCSEL C (I _te 0,55 mA und 0,67 mA) sind immer niedriger als der VCSEL B (I _te 0,6 mA und 0,73 mA) bei 25 °C bzw. 85 °C, wie in Abb. 3 a gezeigt. In den Versuchsdaten von VCSEL C (real) sind in Abb. 3 b L-I-V-Kurven dargestellt, die I _te von VCSEL C (real) betragen 0,8 mA und 1,08 mA bei 25 °C bzw. 85 °C. Im realen Fall, da der thermische Effekt die Differenz von I . induzieren kann _te zwischen realem Fall und Simulation sind Ergebnisse zu erwarten.

Die Lichtstromkennlinien für die Simulation von VCSEL-Bauelementen mit 3λ/2 Resonatorlänge für a VCSEL A:7 µm Öffnungsdurchmesser bei 25 °C und 85 °C und b VCSEL B:5 μm Öffnungsdurchmesser bei 25 °C und bei 85 °C

a Die Lichtstromcharakteristik für die Simulation von VCSEL C:λ/2 Resonatorlänge, 5 μm Öffnungsdurchmesser bei 25°C und 85°C. b Die gemessenen Lichtstrom-Spannungs-Kennlinien von VCSEL C bei 25°C und 85°C

Nach Resonanzfrequenz (fr ) und Dämpfungsratenfunktion,

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

wo D ist der D-Faktor, I ist der aktuelle, ich _te ist der Schwellenstrom, η _ich ist die interne Quanteneffizienz, Г ist der optische Einschlussfaktor, V _g ist die Gruppengeschwindigkeit, q ist die Elementarladung, V _a ist das Volumen des aktiven (Verstärkungs-)Bereichs, $ \frac{\partial g}{\partial n} $ ist die Differenzverstärkung, γ ist der Dämpfungsfaktor, K ist der K-Faktor, γ _o ist der Dämpfungsfaktor-Offset, τ _p ist die Photonenlebensdauer und ε ist der Verstärkungskompressionsfaktor [28].

Somit können wir den Frequenzgang der Geräteleistung verbessern, indem wir die Lebensdauer des Photons und das effektive Volumen des Resonators reduzieren und die Differenzverstärkung erhöhen. Basierend auf diesen Überlegungen verwenden wir dieselben Parameter für den nächsten Abschnitt, um die optische Reaktion zu verbessern. Abbildung 4 a–d zeigt das Kleinsignal-Modulationsverhalten von VCSEL A und VCSEL B bei 25 °C und 85 °C. Aus dem Simulationsergebnis der optischen Hochgeschwindigkeitsantwort ergibt sich eine gute 3-dB-Bandbreite von 18,4 GHz und 15,5 GHz (VCSEL A) bis 21,2 GHz und 19 GHz (VCSEL B) und es zeigt auch an, dass die 3-dB-Bandbreite war um ca. 15,2% bzw. 22,5% gesteigert. Somit haben die VCSEL-Bauelemente, die dem zunehmenden Einschlussfaktor zugeschrieben werden, den niedrigeren Schwellenstrom in der Emission, und die Batteriebandbreite in VCSEL kann dem Einschlussfaktor zugeschrieben werden, der unter Verwendung einer kleineren Oxidaperturgröße erhöht wurde.

Simulation der Kleinsignal-Modulationsantwort für VCSEL-Bauelemente mit 3λ/2 Resonatorlänge; somit sind VCSEL A und B mit 7 μm bzw. 5 μm Öffnungsdurchmesser für VCSEL A bei a 25 °C und bei b 85 °C und für VCSEL B bei c 25 °C und bei d 85 °C.

Im folgenden Fall behalten wir die Oxidapertur von 5 µm bei und verkürzen die Kavitätenlänge auf λ/2. Abbildung 5 a und b zeigen die Kleinsignal-Modulationsantwort von VCSEL C bei 25 °C und 85 °C. Aus dem Simulationsergebnis der optischen Hochgeschwindigkeitsantwort ergibt sich eine gute 3-dB-Bandbreite von 21,2 GHz und 19 GHz (VCSEL B) bis 30,5 GHz und 24,5 GHz (VCSEL C) und es zeigt auch, dass die 3-dB-Bandbreite verbessert wurde um ca. 43,9% bzw. 28,9%. Somit zeigen beide Simulationsergebnisse, dass die VCSEL-Bauelemente, die den niedrigeren Schwellenstrom und die größere Bandbreite aufweisen, dem zunehmenden Einschlussfaktor bei Verwendung einer kürzeren Resonatorlänge zugeschrieben werden.

Simulation der Kleinsignal-Modulationsantwort für VCSEL C:λ/2 Resonatorlänge, 5 μm Öffnungsdurchmesser bei a 25 °C und bei b 85 °C

Abbildung 6 zeigt simuliertes f3dB im Vergleich zur Quadratwurzel von (I − ich _te ). Die Steigung dieser Datenpunkte kann ausgedrückt werden als

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

Die 3-dB-Frequenz gegen die Quadratwurzel von (I -ich _te ) der Simulation für VCSEL A,

VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (real) bei a 25°C und b 85 °C

Der D-Faktor ist ein wichtiger Parameter, der sich auf die interne Quanteneffizienz und die differentielle Verstärkung der Quantentöpfe für VCSEL-Betrieb mit hoher Geschwindigkeit bezieht [29]. Somit betrug der D-Faktor 6,9, 7,3 und 11 GHz/mA^1/2 bei 25 °C für VCSEL A-, B- bzw. C-Geräte. Andererseits betrug der D-Faktor 6,0, 6,7 und 9,4 GHz/mA^1/2 bei 85 °C für VCSEL A-, B- bzw. C-Geräte. Nach unseren Ergebnissen ist der D-Faktor umgekehrt proportional zum Durchmesser der Oxidöffnung und der Kavitätenlänge. Und der größere D-Faktor wird zusammen mit einem kleineren Schwellenstrom sein. Darüber hinaus eignen sich die VCSELs mit kleineren Oxidaperturdurchmessern (5 μm) und kürzerer Resonatorlänge (λ/2) besonders gut für die Datenübertragung bei niedriger Energie pro Bit [30,31,32]. Wir erwarten, dass der VCSEL eine fehlerfreie Betriebsrate von bis zu 50 Gbit/s erreichen kann.

Als nächstes stellten wir das VCSEL-Gerät her und verglichen das Simulationsergebnis mit realen Testdaten; Als nächstes stellten wir das VCSEL-Gerät her. In Abb. 6 betrug der D-Faktor von VCSEL C (real) 8,5 und 8,3 GHz/mA^1/2 bei 25 °C bzw. 85 °C. Abbildung 7 zeigt die gemessene Kleinsignal-Modulationsantwort bei 25°C und 85°C. Wie wir sehen, beträgt die 3-dB-Messbandbreite 29,3 bzw. 24,6 GHz bei 25 °C bzw. 85 °C. Im realen Gerätefall war er etwas niedriger als im Simulationsfall VCSEL C. Der Unterschied kann, wie bereits erwähnt, aus dem thermischen Effekt und der parasitären Einschränkung aufgrund der Geräteherstellung resultieren. Im Vergleich zu den Ergebnissen anderer kommt unsere Simulation unseren eigenen Experimenten näher [21,22,23]. Dies weist darauf hin, dass unser VCSEL-Simulationsergebnis auf den Hochgeschwindigkeitslaser angewendet werden kann.

Gemessene Kleinsignal-Modulationsantwort für VCSEL C (real):λ/2 Resonatorlänge, 5 μm Öffnungsdurchmesser bei a 25°C und b 85 °C

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir die Oxidapertur und die Hohlraumlänge der VCSEL-Struktur durch das PICS3D-Simulationsprogramm optimiert. Unter Bezugnahme auf diese Ergebnisse stellten wir 50-Gb/s-VCSEL-Geräte her. Die Ergebnisse zeigten eine Verringerung des Schwellenstroms und eine Verbesserung der 3-dB-Bandbreite bei VCSEL-Geräten. Schließlich wurden die Hochgeschwindigkeits-VCSEL-Geräte (bis zu 50-Gb/s-Datenrate bei 85 °C) demonstriert und erfolgreich ein PICS3D-Modell für das 50-Gb/s-VCSEL-Gerätedesign erstellt.