Design, Modellierung und Fertigung von 850-nm VCSELs mit 50 Gb/s Datenraten

Zusammenfassung

Wir haben die Eigenschaften der Frequenzantwort von 850-nm GaAs High-Speed Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasern (VCSELs) mit verschiedenen Oxidationsöffnungsgrößen und Hohlraumlängen mittels PICS3D-Simulationsprogramm untersucht. Mit 5-µm Oxidationsöffnungsgrößen kann das Frequenzantwortverhalten von 18,4 GHz und 15,5 GHz auf 21,2 GHz und 19 GHz bei maximal 3 dB bei 25 °C und 85 °C verbessert werden. Numerische Simulationsergebnisse legen auch nahe, dass die Frequenzantwortleistungen von 21,2 GHz und 19 GHz auf 30,5 GHz und 24,5 GHz bei maximal 3 dB bei 25 °C und 85 °C durch Reduktion der Hohlraumlänge von 3λ/2 auf λ/2 verbessert werden. Folglich wurden High-Speed-VCSEL-Bauelemente auf einer modifizierten Struktur gefertigt und zeigten 50-Gb/s-Datenrate bei 85 °C.

Einleitung

In wenigen Jahren sind Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Dioden (VCSELs) zu bevorzugten Sendern für optische Datenverbindungen geworden [1, 2]. Gleichzeitig haben GaAs-VCSEL-Bauelemente Vorteile wie niedrigen Schwellenstrom, Stromverbrauch und kleinen Divergenzwinkel sowie Top-Side-Beleuchtung, die Arrays einfach machen. Ihre Nachfrage ist rasant gewachsen parallel zu enormen Anforderungen für 5G Internet, 3D-Sensing, LiDAR, High-Speed-Photodetektoren etc. [3-14].

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) ist ein State-of-the-Art 3D-Simulator für Laserdioden und verwandte aktive photonische Bauelemente. PICS3D ist ein umfassender 3D-numerischer Löser, der rigorose und selbstkonsistente Behandlung thermischer, elektrischer und optischer Eigenschaften durch Lösung der zugehörigen Gleichungen basierend auf der nichtlinearen Newton-Raphson-Methode bietet. Sein primäres Ziel ist es, einen 3D-Simulator für Rand- und Flächenemittierende Laserdioden bereitzustellen. Er wurde auch erweitert, um Modelle für andere Komponenten einzuschließen, die mit dem Laseremitter integriert oder verwandt sind. In dieser Studie simulierten wir GaAs-VCSEL; natürlich lässt es sich auch leicht auf GaN-VCSEL, LED etc. erweitern [15, 16].

Der erste Oxidationsprozess in III-V-Verbindungsmaterial wurde an der University of Illinois at Urbana-Champaign von Dallesasse und Holonyak 1989 entdeckt [17]. Durch einen Oxidationsprozess können VCSEL-Bauelemente die Größe des Oxidationsöffnungsdurchmessers verringern. Dies fördert nicht nur den Einzel-Querwellenleiter-Betrieb, sondern auch Hochgeschwindigkeitsbetrieb und Einzelmodenleistung.

Um eine hohe Modulationsbandbreite zu erreichen, würden die meisten Designer einen großen D-Faktor und vernünftigen niedrigen K-Faktor suchen, typischerweise einen hohen differentiellen Gewinn durch Verwendung von gestreckten QWs. Eine niedrige Photonenlebensdauer durch Abstimmung der Phase des oberen verteilten Bragg-Reflektors (DBR) [18], ein hoher Einsperrfaktor durch Einsatz eines kurzen Hohlraums und eine kleine Hohlraum-Oxidation sind notwendig. Andererseits kann die Reduzierung elektrischer Parasiten auch die Modulationsgeschwindigkeit verbessern. Dazu gehören parasitäre Kapazität von Bond-Pads, intrinsischer Diodenübergang und der Bereich außerhalb der Öffnung unter Metallkontaktpads, der DBRs, Oxidationsschichten etc. verbindet, sowie parasitärer Widerstand von DBRs, Übergangswiderstand. Allerdings ist parasitärer Widerstand nicht so niedrig wie möglich besser; er muss auf 50 Ohm Impedanz angepasst werden. Bezüglich der High-Speed-VCSEL-Bauelemententwicklung für Datenkommunikation gibt es mehrere Arbeiten, die den Fortschritt dokumentieren [19, 20]. Heute wurden State-of-the-Art 50-Gb/s 850-nm VCSEL-Bauelemente erfolgreich an der Chalmers University of Technology (CUT) von Westbergh et al. und der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) von Feng et al. demonstriert [21,22,23]. Wir verglichen unsere Experimente in dieser Studie mit anderen Labors, und unsere Daten liegen nahe an ihren Ergebnissen.

Der effektivste Weg, den differentiellen Gewinn zu erhöhen, ist jedoch die Verwendung von gestreckten Mehrfach-Quantenbrunnen (MQW), wie dem Ersetzen des GaAs/AlGaAs MQW durch InGaAs/AlGaAs MQW [24, 25]. Im GaAs-basierten Material ist die effektive Lochmasse viel größer als die effektive Elektronenmasse, was dazu führt, dass das Quasi-Fermi-Niveau zum Valenzband hin getrennt wird [26]. Daher kann, wenn wir Dehnung auf eine aktive Schicht implementieren, die effektive Lochmasse signifikant reduziert werden, da die Trennung des Quasi-Fermi-Niveaus ausgeglichener zwischen Leitungs- und Valenzband wird. Der differentielle Gewinn kann als das Wachstum des Gewinns mit Trägerdichte betrachtet werden, sobald die Quasi-Fermi-Niveau-Trennung symmetrischer wird, und gleichzeitig wird der differentielle Gewinn im gestreckten MQW kompressiver. Darüber hinaus löst die Dehnung auch den Valenzband-Mischungseffekt, indem sie die Energiedifferenz zwischen Schwerloch- und Leichtlochband erhöht. In dieser Studie wurde die numerische Simulation durch Crosslight PICS3D Software [27] auf die VCSEL-Bauelementstruktur optimiert.

Methoden/Experimentell

Abbildung 1 zeigt das Schema des 850-nm GaAs VCSEL-Bauelements für die Simulationsstruktur in dieser Studie. Für diesen Oxid-VCSEL umfasst die epitaktische Schichtstruktur von unten nach oben einen GaAs-Substrat, n-DBR aus 34 Paaren Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As, eine InGaAs MQW aktive Schicht mit fünf In_0.08Ga_0.92As-gestreckten QWs getrennt durch sechs Al_0.37Ga_0.63As Quantenbarriereschichten, p-DBR und eine stark dotierte p-GaAs als Kontaktschicht. Allerdings umfassen p-DBR-Schichten zwei Al_0.98Ga_0.02As Oxidationsschichten und vier Al_0.96Ga_0.04As Oxidationsschichten und 13 Paare Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As Schichten. Es gibt zwei Arten von Oxidationsöffnungsgrößen, 5 µm und 7 µm in unserem Design. Die zwei Al_0.98Ga_0.02As Oxidationsschichten würden eine Öffnungsbegrenzung für die Funktionen elektrisch und optisch erhalten, und die vier Al_0.96Ga_0.04As Schichten würden parasitäre Kapazität reduzieren und die optische Antwort weiter verbessern. Somit berechnen wir das elektrische Potential und die Ladungsverteilung via Poisson-Gleichung, berechnen Trägertransport aus den Stromstetigkeitsgleichungen, verwenden die Effective Index Method (EIM) Approximation, die erfolgreich auf verschiedene VCSEL-Strukturen angewendet wurde, und nutzen die Transfer-Matrix-Methode in der Berechnung des äquivalenten Laserkavität. In dieser Studie wurde das VCSEL-Modul in Crosslight PICS3D Software angewendet, um unsere VCSEL-Simulationen durchzuführen, welches Quantenmechanik, elektrische, thermische und DBR-Hohlraum-Optikeffekte umfasst, mit stärkerer selbstkonsistenter Interaktion als jedes andere optoelektronische Bauelement, das angewendet wurde, um unsere VCSEL-Simulationen durchzuführen. In Anbetracht, dass die simulierte VCSEL-Struktur symmetrisch ist, wurde ein zylindrisches Koordinatensystem anstelle des kartesischen Koordinatensystems verwendet, um Simulationszeit zu sparen. Die anspruchsvolle Newton-Iterationsformel wurde in der Software genutzt, um korrekte Antworten in nichtlinearen Gleichungen im VCSEL-Modul zu finden. In diesem Bericht haben wir besonders verschiedene Arten von Oxidationsöffnungsgrößen und Hohlraumlängen für die Verbesserung der VCSEL-Bauelementleistung berücksichtigt. VCSEL A und B sind für 7-µm und 5-µm Oxidationsöffnung mit 3λ/2 Hohlraumlänge entworfen. Andererseits übernimmt VCSEL C das Design von 5-µm Oxidationsöffnung mit λ/2 Hohlraumlänge.

Schema des top-emittierenden 850-nm VCSEL.

Ergebnisse und Diskussion

In VCSEL A und B betragen ihre Hohlraumlängen 3λ/2, haben aber unterschiedliche Oxidationsöffnungsdurchmesser 7 µm (VCSEL A) und 5 µm (VCSEL B). Aus Simulationsergebnissen sind L-I-Kurven in Abb. 2 a und b dargestellt. Wir sehen, dass der Schwellenstrom von VCSEL B (I_th 0,6 mA und 0,73 mA) immer niedriger ist als VCSEL A (I_th 0,82 mA und 0,94 mA) bei 25 °C und 85 °C. Offensichtlich wird I_th größer mit zunehmender Oxidationsöffnungsgröße. Um das kleinste mögliche Modenvolumen in vertikaler Richtung zu erreichen und den D-Faktor zu erhöhen, wird ein kurzer λ/2 optisch dicker Hohlraum verwendet und dann bei der 5-µm Oxidationsöffnung in VCSEL C fixiert. Aus der L-I-Kurve sehen wir, dass der Schwellenstrom von VCSEL C (I_th 0,55 mA und 0,67 mA) immer niedriger ist als VCSEL B (I_th 0,6 mA und 0,73 mA) bei 25 °C und 85 °C, wie in Abb. 3 a gezeigt. In den Experimentdaten von VCSEL C (real) sind L-I-V-Kurven in Abb. 3 b gezeigt, die I_th von VCSEL C (real) sind 0,8 mA und 1,08 mA bei 25 °C und 85 °C. Im realen Fall kann der thermische Effekt den Unterschied von I_th zwischen realem Fall und Simulation induzieren, daher können Ergebnisse erwartet werden.

Licht-Strom-Kennlinien für die Simulation von VCSEL-Bauelementen mit 3λ/2 Hohlraumlänge für a VCSEL A: 7 µm Öffnungsdurchmesser bei 25 °C und 85 °C, und b VCSEL B: 5 µm Öffnungsdurchmesser bei 25 °C und 85 °C.

a Licht-Strom-Kennlinien für die Simulation von VCSEL C: λ/2 Hohlraumlänge, 5 µm Öffnungsdurchmesser bei 25 °C und 85 °C. b Gemessene Licht-Strom-Spannungskennlinien von VCSEL C bei 25 °C und 85 °C.

Gemäß Resonanzfrequenz (f_r) und Dämpfungsrate-Funktion,

f_r = D · √(I - I_th) wobei D = (1/2π) · √(η_iΓ V_g / q V_a · ∂g/∂n) (1)

γ = K · f_r² + γ_o wobei K = 4π² (τ_p + ε / v_g (∂g/∂n)) (2)

wobei D der D-Faktor ist, I der Strom, I_th der Schwellenstrom, η_i der interne Quantenwirkungsgrad, Γ der optische Einsperrfaktor, V_g die Gruppengeschwindigkeit, q die Elementarladung, V_a das Volumen des aktiven (Gain) Bereichs, ∂g/∂n der differentielle Gewinn, γ der Dämpfungsfaktor, K der K-Faktor, γ_o der Dämpfungsfaktor-Offset, τ_p die Photonenlebensdauer und ε der Gain-Kompressionsfaktor [28].

Daher können wir die Frequenzantwort der Bauelementleistung verbessern, indem wir die Photonenlebensdauer und das effektive Volumen des Resonators verringern und den differentiellen Gewinn erhöhen. Basierend auf diesen Überlegungen verwenden wir dieselben Parameter für den nächsten Abschnitt, um die optische Antwort zu verbessern. Abbildung 4 a-d zeigt die Kleinsignal-Modulationsantwort von VCSEL A und VCSEL B bei 25 °C und 85 °C. Aus dem Simulationsergebnis der Hochgeschwindigkeits-Optischen Antwort hat es eine gute 3-dB-Bandbreite von 18,4 GHz und 15,5 GHz (VCSEL A) auf 21,2 GHz und 19 GHz (VCSEL B) und es zeigt auch an, dass die 3-dB-Bandbreite um ca. 15,2 % und 22,5 % erhöht wurde. Somit, zugeschrieben dem erhöhten Einsperrfaktor, haben die VCSEL-Bauelemente den niedrigeren Schwellenstrom in der Emission und die bessere Bandbreite im VCSEL kann dem erhöhten Einsperrfaktor durch kleinere Oxidationsöffnungsgröße zugeschrieben werden.

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

Im folgenden Fall behalten wir die 5-µm Oxidationsöffnung bei und verkürzen die Hohlraumlänge auf λ/2. Abbildung 5 a und b zeigt die Kleinsignal-Modulationsantwort von VCSEL C bei 25 °C und 85 °C. Aus dem Simulationsergebnis der Hochgeschwindigkeits-Optischen Antwort hat es eine gute 3-dB-Bandbreite von 21,2 GHz und 19 GHz (VCSEL B) auf 30,5 GHz und 24,5 GHz (VCSEL C) und es zeigt auch an, dass die 3-dB-Bandbreite um ca. 43,9 % und 28,9 % erhöht wurde. Somit zeigen beide Simulationsergebnisse, dass die VCSEL-Bauelemente, die niedrigeren Schwellenstrom und größere Bandbreite haben, dem erhöhten Einsperrfaktor durch kürzere Hohlraumlänge zugeschrieben werden.

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

Abbildung 6 zeigt simulierte f_3dB versus die Quadratwurzel von (I - I_th). Die Steigung dieser Datenpunkte kann ausgedrückt als

f_3dB = D × √(I - I_th) (3)

Die 3-dB-Frequenz versus die Quadratwurzel von (I - I_th) 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 mit internem Quantenwirkungsgrad und differentiellem Gewinn der Quantenbrunnen für VCSEL, die bei hoher Geschwindigkeit arbeiten, zusammenhängt [29]. Somit war der D-Faktor 6,9, 7,3 und 11 GHz/mA^1/2 bei 25 °C für VCSEL A, B und C Bauelemente. Andererseits war der D-Faktor 6,0, 6,7 und 9,4 GHz/mA^1/2 bei 85 °C für VCSEL A, B und C Bauelemente. Aus unseren Ergebnissen ist der D-Faktor umgekehrt proportional zum Oxidationsöffnungsdurchmesser und Hohlraumlänge. Und der größere D-Faktor geht mit kleinerem Schwellenstrom einher. Darüber hinaus sind VCSELs mit kleineren Oxidationsöffnungsdurchmessern (5 µm) und kürzerer Hohlraumlänge (λ/2) besonders gut für Datenübertragung bei niedriger Energie pro Bit geeignet [30,31,32]. Wir erwarten, dass der VCSEL fehlerfreien Betrieb bis zu 50 Gb/s erreichen kann.

Als Nächstes fertigten wir das VCSEL-Bauelement an und verglichen das Simulationsergebnis und echte Testdaten; als Nächstes fertigten wir das VCSEL-Bauelement an. In Abb. 6 war der D-Faktor von VCSEL C (real) 8,5 und 8,3 GHz/mA^1/2 bei 25 °C und 85 °C. Abbildung 7 zeigt die gemessene Kleinsignal-Modulationsantwort bei 25 °C und 85 °C. Wie wir sehen, beträgt die 3-dB-Bandbreite der Messung 29,3 und 24,6 GHz bei 25 °C und 85 °C. Im realen Bauelementfall war es etwas niedriger als der Simulationsfall VCSEL C. Der Unterschied mag vom thermischen Effekt und parasitärer Limitation aufgrund der Bauelementfertigung kommen, wie wir früher erwähnten. Im Vergleich mit anderen Ergebnissen ist unsere Simulation näher an unseren eigenen Experimenten [21,22,23]. Dies weist darauf hin, dass unser VCSEL-Simulationsergebnis für Hochgeschwindigkeitslaser angewendet werden kann.

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

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend optimierten wir die Oxidationsöffnung und Hohlraumlänge der VCSEL-Struktur durch das PICS3D-Simulationsprogramm. Bezieht man sich auf diese Ergebnisse, fertigten wir 50-Gb/s-VCSEL-Bauelemente an. Die Ergebnisse zeigten eine Abnahme des Schwellenstroms und Verbesserung der 3-dB-Bandbreite in VCSEL-Bauelementen. Schließlich wurden High-Speed-VCSEL-Bauelemente (bis zu 50-Gb/s Datenrate bei 85 °C) demonstriert und erfolgreich ein PICS3D-Modell für 50-Gb/s-VCSEL-Bauelementdesign erstellt.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

In der aktuellen Arbeit sind die Daten und Analysen auf vernünftige Anfrage bei den korrespondierenden Autoren verfügbar.

Abkürzungen

EIM:

Effective index method (Effektive-Index-Methode)

MQW:

Multiple quantum well (Mehrfach-Quantenbrunnen)

PICS3D:

Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D

QWs:

Quantum wells (Quantenbrunnen)

DBR:

Distributed Bragg reflector (Verteilter Bragg-Reflektor)

VCSELs:

Vertical-cavity surface-emitting lasers (Vertikale-Hohlraum-Oberflächenemittierende Laser)