Проектирование, моделирование и изготовление высокоскоростного VCSEL со скоростью передачи данных до 50 Гбит / с

Аннотация

С помощью программы моделирования PICS3D мы исследовали характеристики частотной характеристики высокоскоростных лазеров на основе GaAs с вертикальным резонатором (VCSEL) с различными размерами апертуры оксидов и длиной резонатора на длине волны 850 нм. При размере диафрагмы оксида 5 мкм частотная характеристика может быть улучшена с 18,4 ГГц и 15,5 ГГц до 21,2 ГГц и 19 ГГц максимум на 3 дБ при 25 ° C и 85 ° C соответственно. Результаты численного моделирования также показывают, что характеристики частотной характеристики улучшились с 21,2 ГГц и 19 ГГц до 30,5 ГГц и 24,5 ГГц максимум на 3 дБ при 25 ° C и 85 ° C за счет уменьшения длины резонатора с 3λ / 2 до λ. / 2. Следовательно, высокоскоростные устройства VCSEL были изготовлены на основе модифицированной структуры и продемонстрировали скорость передачи данных 50 Гбит / с при 85 ° C.

Введение

Через несколько лет лазерные диоды с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) стали излюбленными передатчиками для оптических каналов передачи данных [1, 2]. Между тем, устройства GaAs VCSEL имеют некоторые преимущества, такие как низкий пороговый ток, потребляемая мощность и небольшой угол расходимости, а также легкое освещение верхней стороны для создания массива. Его спрос быстро растет вместе с огромными требованиями к Интернету 5G, 3D-зондированию, LiDAR, высокоскоростным фотодетекторам и т. Д. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] .

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator в 3D) - это современный 3D-симулятор для лазерных диодов и связанных с ними активных фотонных устройств. PISC3D - это комплексная трехмерная программа для численного решения, предлагающая строгую и согласованную обработку тепловых, электрических и оптических свойств путем решения связанных уравнений на основе нелинейного метода Ньютона-Рафсона. Его основная цель - предоставить трехмерный симулятор лазерных диодов с торцевым и поверхностным излучением. Он также был расширен за счет включения моделей для других компонентов, интегрированных с лазерным излучателем или связанных с ним. В данной работе мы моделировали GaAs VCSEL; конечно, он также легко расширялся до GaN VCSEL, LED и т. д. [15, 16].

Первый процесс окисления в материале соединений III – V был открыт в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн Даллезассе и Холоньяком в 1989 г. [17]. Посредством процесса окисления устройства VCSEL могут сузить размер диафрагмы оксида. Таким образом, он может способствовать не только работе в одном поперечном режиме, но также высокоскоростной работе и работе в одномодовом режиме.

Чтобы получить широкую полосу модуляции, большинство разработчиков будут стремиться к большому D-фактору и разумно низкому K-фактору, как правило, к высокому дифференциальному усилению за счет использования деформационных квантовых ям. Необходимы низкое время жизни фотона за счет настройки фазы распределенного сверху брэгговского отражателя (DBR) [18], высокий коэффициент ограничения за счет использования короткого резонатора и небольшого оксида резонатора. С другой стороны, уменьшение паразитных электрических сигналов также может улучшить скорость модуляции. К ним относятся паразитная емкость от контактных площадок, собственный диодный переход и область за пределами апертуры под металлическими контактными площадками, которая соединяет РБО, слои окисления и т. Д., А также включает паразитное сопротивление РБО, сопротивление перехода. Однако паразитарная резистентность не лучше как можно ниже; он должен соответствовать сопротивлению 50 Ом. Что касается разработки высокоскоростного устройства VCSEL для передачи данных, есть несколько статей, в которых зафиксирован прогресс [19, 20]. Сегодня современные устройства VCSEL со скоростью 50 Гбит / с и 850 нм были успешно продемонстрированы в Технологическом университете Чалмерса (CUT) Вестбергом и др. и Университет Иллинойса в Урбане-Шампейн (UIUC), авторы Feng et al. [21,22,23]. В этом исследовании мы сравнили результаты наших экспериментов с результатами других лабораторий, и наши данные очень близки к их результатам.

Однако наиболее эффективным способом увеличения дифференциального усиления является использование множественных квантовых ям деформации (МКЯ), например замена МКЯ GaAs / AlGaAs на МКЯ InGaAs / AlGaAs [24, 25]. В материале на основе GaAs эффективная масса дырки намного больше эффективной массы электрона, что приводит к разделению квазиуровня Ферми в сторону валансной зоны [26]. Следовательно, если мы реализуем деформацию активного слоя, эффективная масса дырок может быть значительно уменьшена, потому что разделение квазиуровня Ферми более сбалансировано между зоной проводимости и валентной зоной. Дифференциальный коэффициент усиления можно рассматривать как рост коэффициента усиления с увеличением плотности носителей, когда разделение квазиуровней Ферми становится более симметричным, а между тем дифференциальное усиление становится более сжатым в напряженной МКЯ. Кроме того, деформация также ослабит эффект смешения валентных полос за счет увеличения разницы энергий между полосой тяжелых и легких дырок. В этом исследовании численное моделирование было оптимизировано для структуры устройства VCSEL с помощью программного обеспечения Crosslight PICS3D [27].

Методы / экспериментальные

На рисунке 1 показана схема устройства 850 нм GaAs VCSEL для моделирования структуры в этой работе. Для этого оксида VCSEL структура эпитаксиального слоя снизу вверх включает подложку GaAs, n-DBR из 34 пар Al _0,9 Ga _0,1 As / Al _0,12 Ga _0,88 As, активный слой InGaAs MQW с пятью In _0,08 Ga _0,92 КЯ после деформации, разделенные шестью Al _0,37 Ga _0,63 В качестве квантово-барьерных слоев используется p-DBR и сильно легированный p-GaAs в качестве контактного слоя. Однако слои p-DBR включают два Al _0,98 Ga _0,02 В качестве оксидных слоев и четыре Al _0,96 Ga _0,04 В качестве оксидных слоев и 13 пар Al _0,9 Ga _0,1 As / Al _0,12 Ga _0,88 Как слои. В нашей конструкции есть два типа размеров диафрагмы оксида:5 мкм и 7 мкм. Два Al _0,98 Ga _0,02 Поскольку слои окисления получат ограничение апертуры для электрических и оптических функций, и четыре Al _0,96 Ga _0,04 Поскольку слои уменьшили бы паразитную емкость и дополнительно улучшили бы оптический отклик. Таким образом, мы вычисляем электрический потенциал и распределение заряда с помощью уравнения Пуассона, рассчитываем перенос носителей из текущих уравнений неразрывности, используем приближение метода эффективного индекса (EIM), которое успешно применялось для расчета различных структур VCSEL, и используем метод матрицы переноса в расчет эквивалентного лазерного резонатора. В этом исследовании для проведения моделирования VCSEL были применены модули VCSEL в программном обеспечении Crosslight PICS3D, которые включают квантово-механические, электрические, тепловые и оптические эффекты резонатора DBR, с более сильным самосогласованным взаимодействием, чем любые другие оптоэлектронные устройства, которые были применены для выполнения наших VCSEL моделирования. Учитывая, что моделируемая структура VCSEL является симметричной, для экономии времени моделирования использовалась цилиндрическая система координат вместо декартовой системы координат. Сложная итерационная формула Ньютона использовалась в программном обеспечении, чтобы гарантировать, что правильные ответы будут найдены в нелинейных уравнениях в модуле VCSEL. В этом отчете мы специально рассмотрели различные типы размеров оксидной апертуры и длины резонатора для улучшения характеристик устройства VCSEL. VCSEL A и B предназначены для оксидной апертуры 7 мкм и 5 мкм с длиной резонатора 3λ / 2 соответственно. С другой стороны, VCSEL C использует конструкцию оксидной апертуры 5 мкм с длиной резонатора λ / 2.

Схема верхнего излучающего 850-нм VCSEL

Результаты и обсуждение

В VCSEL A и B длина их резонаторов составляет 3λ / 2, но у них разные диаметры оксидной апертуры:7 мкм (VCSEL A) и 5 мкм (VCSEL B) соответственно. По результатам моделирования кривые L-I показаны на рис. 2 a и b. Мы можем видеть пороговый ток VCSEL B ( I _th 0,6 мА и 0,73 мА) всегда ниже, чем VCSEL A ( I _th 0,82 мА и 0,94 мА) при 25 ° C и 85 ° C соответственно. Очевидно, что I _th становится больше вместе с увеличением размера оксидной апертуры. Для достижения наименьшего возможного объема моды в вертикальном направлении и увеличения D-фактора используется короткий резонатор с оптически толстой λ / 2, который затем фиксируется на апертуре оксида 5 мкм в VCSEL C. Из кривой LI мы можем см. пороговый ток VCSEL C ( I _th 0,55 мА и 0,67 мА) всегда ниже, чем VCSEL B ( I _th 0,6 мА и 0,73 мА) при 25 ° C и 85 ° C соответственно, как показано на рис. 3а. В данных эксперимента VCSEL C (реальный), кривые L-I-V показаны на рис. 3b, I _th VCSEL C (реальный) составляют 0,8 мА и 1,08 мА при 25 ° C и 85 ° C соответственно. В реальном случае, поскольку тепловой эффект может вызвать разницу в I _th Между реальным случаем и моделированием можно ожидать результатов.

Вольт-амперные характеристики для моделирования устройств VCSEL с длиной резонатора 3λ / 2 для a VCSEL A:диаметр апертуры 7 мкм при 25 ° C и 85 ° C, и b VCSEL B:диаметр апертуры 5 мкм при 25 ° C и 85 ° C

а Вольт-амперные характеристики для моделирования VCSEL C:длина резонатора λ / 2, диаметр апертуры 5 мкм при 25 ° C и 85 ° C. б Измеренные вольт-амперные характеристики VCSEL C при 25 ° C и 85 ° C

По резонансной частоте ( fr ) и функция скорости демпфирования,

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

где D D-фактор, I это ток, I _th - пороговый ток, η _я - внутренняя квантовая эффективность, Г - фактор оптического ограничения, V _г - групповая скорость, q - элементарный заряд, V _а - объем активной (усиленной) области, \ (\ frac {\ partial g} {\ partial n} \) - дифференциальный коэффициент усиления, γ коэффициент демпфирования, K K-фактор, γ _о - смещение коэффициента демпфирования, τ _p - время жизни фотона, а ε коэффициент сжатия усиления [28].

Таким образом, мы можем улучшить частотную характеристику устройства, уменьшив время жизни фотона и эффективный объем резонатора, а также увеличив дифференциальное усиление. Исходя из этих соображений, мы используем те же параметры для следующего раздела, чтобы улучшить оптический отклик. На рис. 4 a – d показан отклик модуляции слабого сигнала VCSEL A и VCSEL B при 25 ° C и 85 ° C. По результатам моделирования высокоскоростного оптического отклика он имеет хорошую полосу пропускания 3 дБ от 18,4 ГГц и 15,5 ГГц (VCSEL A) до 21,2 ГГц и 19 ГГц (VCSEL B), а также указывает, что ширина полосы 3 дБ была увеличились примерно на 15,2% и 22,5% соответственно. Таким образом, из-за увеличивающегося фактора ограничения, устройства VCSEL имеют более низкий пороговый ток излучения, а полосу пропускания батареи в VCSEL можно отнести к коэффициенту ограничения, увеличенному при меньшем размере диафрагмы в оксиде.

Моделирование модуляции слабого сигнала для устройств VCSEL с длиной резонатора 3λ / 2; таким образом, VCSEL A и B имеют диаметр апертуры 7 мкм и 5 мкм, соответственно, для VCSEL A в a 25 ° C и при b 85 ° C, а для VCSEL B при c 25 ° C и при d 85 ° С.

В следующем случае мы сохраняем апертуру оксида 5 мкм и сокращаем длину резонатора до λ / 2. На рис. 5 a и b показаны характеристики модуляции слабого сигнала VCSEL C при 25 ° C и 85 ° C. По результатам моделирования высокоскоростного оптического отклика он имеет хорошую полосу пропускания 3 дБ от 21,2 ГГц и 19 ГГц (VCSEL B) до 30,5 ГГц и 24,5 ГГц (VCSEL C), а также указывает на то, что полоса пропускания на 3 дБ была расширена. примерно на 43,9% и 28,9% соответственно. Таким образом, оба результата моделирования показывают, что устройства VCSEL, которые имеют более низкий пороговый ток и большую полосу пропускания, объясняются увеличением коэффициента ограничения при использовании меньшей длины резонатора.

Моделирование отклика модуляции слабого сигнала для VCSEL C:длина резонатора λ / 2, диаметр апертуры 5 мкм при a 25 ° C и при b 85 ° С

На рисунке 6 показано моделирование f3dB в сравнении с квадратным корнем из ( I - Я _th ). Наклон этих точек данных можно выразить как

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

Частота 3 дБ в сравнении с квадратным корнем из ( I - Я _th ) моделирования для VCSEL A,

VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (реальные) в a 25 ° C и b 85 ° С

D-фактор является важным параметром, который связан с внутренней квантовой эффективностью и дифференциальным усилением квантовых ям для VCSEL, работающих на высокой скорости [29]. Таким образом, D-фактор составил 6,9, 7,3 и 11 ГГц / мА ^1/2 . при 25 ° C для устройств VCSEL A, B и C соответственно. С другой стороны, D-фактор составлял 6,0, 6,7 и 9,4 ГГц / мА ^1/2 . при 85 ° C для устройств VCSEL A, B и C соответственно. Судя по нашим результатам, D-фактор обратно пропорционален диаметру отверстия в оксиде и длине резонатора. И больший D-фактор будет вместе с меньшим пороговым током. Кроме того, VCSEL с меньшим диаметром апертуры оксида (5 мкм) и меньшей длиной резонатора (λ / 2) особенно хорошо подходят для передачи данных с низкой энергией на бит [30,31,32]. Мы ожидаем, что VCSEL сможет безошибочно работать со скоростью до 50 Гбит / с.

Затем мы изготовили устройство VCSEL и сравнили результат моделирования и данные реальных испытаний; Затем мы изготовили устройство VCSEL. На рис. 6 D-фактор VCSEL C (реальный) составлял 8,5 и 8,3 ГГц / мА ^1/2 . при 25 ° C и 85 ° C соответственно. На рисунке 7 показан измеренный отклик модуляции слабого сигнала при 25 ° C и 85 ° C. Как мы видим, полоса измерения по 3 дБ составляет 29,3 и 24,6 ГГц при 25 ° C и 85 ° C соответственно. В случае реального устройства он был немного ниже, чем в случае моделирования VCSEL C. Разница может происходить из-за теплового эффекта и паразитных ограничений из-за изготовления устройства, как мы упоминали ранее. По сравнению с другими результатами, наше моделирование ближе к нашим собственным экспериментам [21,22,23]. Это указывает на то, что наш результат моделирования VCSEL может быть применен к высокоскоростному лазеру.

Измеренный отклик модуляции слабого сигнала для VCSEL C (реальный):длина резонатора λ / 2, диаметр апертуры 5 мкм при a 25 ° C и b 85 ° С

Выводы

В заключение, мы оптимизировали оксидную апертуру и длину резонатора в структуре VCSEL с помощью программы моделирования PICS3D. С учетом этих результатов мы изготовили устройства VCSEL со скоростью 50 Гбит / с. Результаты показали снижение порогового тока и улучшение полосы пропускания на 3 дБ в устройствах VCSEL. Наконец, были продемонстрированы высокоскоростные устройства VCSEL (скорость передачи данных до 50 Гбит / с при 85 ° C), которые позволили успешно создать модель PICS3D для проектирования устройств VCSEL со скоростью 50 Гбит / с.