Проектирование, моделирование и фабрикация 850-нм VCSEL с скоростью передачи данных 50 Гбит/с

Аннотация

Мы изучали характеристики частотного отклика 850-нм GaAs высокоскоростных вертикальных лазеров с поверхностным излучением (VCSEL) с различными размерами оксидного апертура и длиной резонатора, используя программу моделирования PICS3D. При размере оксидного апертуры 5 мкм частотный отклик улучшается 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 числового моделирования также показывают, что частотный отклик улучшается 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 из-за сокращения длины резонатора с 3λ/2 до λ/2. Следовательно, высокоскоростные VCSEL приборы были изготовлены на модифицированной структуре и продемонстрировали скорость передачи данных 50 Гбит/с при 85 °C.

Введение

За последние годы вертикальные лазеры с поверхностным излучением (VCSEL) стали предпочтительными передатчиками для оптических линий связи [1,2]. В то же время GaAs VCSEL приборы имеют преимущества: низкий пороговый ток, потребление энергии, малый угол расходимости, а также верхнее освещение, облегчающее создание массивов. Их спрос быстро растет вместе с огромными требованиями 5G интернета, 3D сенсирования, LiDAR, высокоскоростных фотодетекторов и т.д. [3-14].

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) — современный 3D симулятор для лазерных диодов и связанных активных фотонных приборов. PICS3D — комплексный 3D численный решатель, предлагающий строгое и самосогласованное решение тепловых, электрических и оптических свойств путем решения соответствующих уравнений на основе нелинейного метода Ньютона-Рафсона. Его первичная цель — обеспечить 3D симулятор для краевых и поверхностных лазерных диодов. Он также был расширен для включения моделей других компонентов, интегрированных с лазерным излучателем или связанных с ним. В этом исследовании мы моделировали GaAs VCSEL; конечно, он также легко расширяется на GaN VCSEL, СД и т.д. [15,16].

Первый процесс окисления в III-V соединениях был открыт в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейне Даллессом и Холоняком в 1989 г. [17]. Через процесс окисления VCSEL приборы могут сузить диаметр оксидного апертуры. Таким образом, это не только способствует однопереверсовой работе, но и высокоскоростной работе и одноперевесовой производительности.

Для достижения высокой модуляционной полосы пропускания большинство проектировщиков ищут большой D-фактор и разумный низкий K-фактор, типично высокую дифференциальную усиленность, используя напряженные КВ. Низкое время жизни фотона настройкой фазы верхнего распределенного брагговского рефлектора (DBR) [18], высокий коэффициент замыкания использованием короткого резонатора и малый оксидный апертур необходимы. С другой стороны, снижение электрических паразитов также может улучшить модуляционную скорость. К ним относятся паразитная емкость от контактных площадок, внутреннего p-n перехода и области вне апертуры под металлическими контактными площадками, соединяющими DBR, оксидные слои и т.д., а также паразитное сопротивление от DBR, сопротивления перехода. Однако паразитное сопротивление не лучше, чем возможно ниже; оно должно согласовываться с 50 Ом импедансом. Что касается разработки высокоскоростных VCSEL приборов для передачи данных, существует несколько статей, фиксирующих прогресс [19,20]. Сегодня передовые 50-Гбит/с 850-нм VCSEL приборы были успешно продемонстрированы в Техническом университете Чальмерса (CUT) Вестбергом и соавт. и в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн (UIUC) Фэн и соавт. [21-23]. Мы сравнили результаты наших экспериментов в этом исследовании с другими лабораториями, и наши данные очень близки к их результатам.

Однако наиболее эффективный способ увеличить дифференциальную усиленность — использование напряженных множественных квантовых ям (MQW), таких как замена GaAs/AlGaAs MQW на InGaAs/AlGaAs MQW [24,25]. В материалах на базе GaAs эффективная масса дырки намного больше эффективной массы электрона, что заставляет квази-ферми-уровень разделяться в сторону валентной зоны [26]. Следовательно, если мы реализуем напряжение на активном слое, эффективная масса дырки может быть значительно снижена, потому что разделение квази-ферми-уровней становится более сбалансированным между проводимостью и валентной зоной. Дифференциальная усиленность может рассматриваться как рост усиления с плотностью носителей, как только разделение квази-ферми-уровней становится более симметричным, и в то же время дифференциальная усиленность становится более компрессивной в напряженных MQW. Кроме того, напряжение также устраняет эффект смешивания валентных зон за счет увеличения энергетической разницы между тяжелой и легкой дырковыми зонами. В этом исследовании численное моделирование было оптимизировано под структуру VCSEL прибора через программное обеспечение Crosslight PICS3D [27].

Методы/Эксперимент

Рисунок 1 показывает схему 850-нм GaAs VCSEL прибора для структуры моделирования в этом исследовании. Для этого оксидного VCSEL, эпитаксиальная структура снизу вверх включает GaAs подложку, n-DBR из 34 пар Al₀.₉Ga₀.₁As/Al₀.₁₂Ga₀.₈₈As, активный слой InGaAs MQW с пятью напряженными In₀.₀₈Ga₀.₉₂As КВ, разделенными шестью КС Al₀.₃₇Ga₀.₆₃As, p-DBR и сильно легированный p-GaAs как контактный слой. Однако p-DBR слои включают два оксидных слоя Al₀.₉₈Ga₀.₀₂As и четыре оксидных слоя Al₀.₉₆Ga₀.₀₄As и 13 пар Al₀.₉Ga₀.₁As/Al₀.₁₂Ga₀.₈₈As. В нашем дизайне есть два вида размеров оксидного апертуры: 5 мкм и 7 мкм. Два оксидных слоя Al₀.₉₈Ga₀.₀₂As обеспечивают апертурное замыкание для электрических и оптических функций, а четыре оксидных слоя Al₀.₉₆Ga₀.₀₄As снижают паразитную емкость и дальше улучшают оптический отклик. Таким образом, мы вычисляем электрический потенциал и распределение заряда через уравнение Пуассона, перенос носителей из уравнений непрерывности тока, используем метод эффективного индекса (EIM), который успешно применялся для расчета различных структур VCSEL, и используем матричный метод передачи в расчете эквивалентной лазерной полости. В этом исследовании для выполнения наших VCSEL симуляций применялись модули VCSEL в программном обеспечении Crosslight PICS3D, которые включают квантово-механические, электрические, тепловые и оптические эффекты DBR полости, с более сильным самосогласованным взаимодействием, чем любые другие оптоэлектронные приборы, к которым применялись для выполнения наших VCSEL симуляций. Учитывая, что смоделированная VCSEL структура симметрична, цилиндрическая система координат, вместо декартовой, использовалась для экономии времени симуляции. Тонкая итерационная формула Ньютона использовалась в программном обеспечении для обеспечения правильных ответов в нелинейных уравнениях модуля VCSEL. В этом отчете мы особо рассматривали разные виды размеров оксидного апертуры и длин резонатора для улучшения производительности VCSEL прибора. VCSEL A и B спроектированы для 7-мкм и 5-мкм оксидного апертуры с длиной резонатора 3λ/2 соответственно. С другой стороны, VCSEL C принимает дизайн 5-мкм оксидного апертуры с длиной резонатора λ/2.

Схема верхнеизлучающего 850-нм VCSEL.

Результаты и обсуждение

В VCSEL A и B их длины резонатора 3λ/2, но имеют разные диаметры оксидного апертуры 7 мкм (VCSEL A) и 5 мкм (VCSEL B) соответственно. Из результатов симуляции L-I кривые изображены на рис. 2a и b. Мы видим, что пороговый ток VCSEL B (I_th 0,6 мА и 0,73 мА) всегда ниже VCSEL A (I_th 0,82 мА и 0,94 мА) при 25 °C и 85 °C соответственно. Очевидно, I_th становится больше с увеличением размера оксидного апертуры. Для достижения наименьшего возможного объема моды в вертикальном направлении и увеличения D-фактора используется короткий λ/2 оптически толстый резонатор и затем фиксируется при 5-мкм оксидном апертуре в VCSEL C. Из L-I кривой видно, что пороговые токи VCSEL C (I_th 0,55 мА и 0,67 мА) всегда ниже VCSEL B (I_th 0,6 мА и 0,73 мА) при 25 °C и 85 °C соответственно, как показано на рис. 3a. В экспериментальных данных VCSEL C (реальный), L-I-V кривые 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 вызывать разницу I_th между реальным случаем и симуляцией, результаты могут быть ожидаемы.

Свет-токовые характеристики для симуляции VCSEL приборов с длиной резонатора 3λ/2 для a VCSEL A: 7 мкм диаметр апертуры при 25 °C и 85 °C, и b VCSEL B: 5 мкм диаметр апертуры при 25 °C и 85 °C.

a Свет-токовые характеристики для симуляции VCSEL C: длина резонатора λ/2, 5 мкм диаметр апертуры при 25 °C и 85 °C. b Измеренные свет-ток-напряжение характеристики VCSEL C при 25 °C и 85 °C.

Согласно резонансной частоте (f_r) и функции демпфирования,

f_r = D·√(I - I_th), где D = (1/2π)·√(η_i Γ V_g / q V_a · ∂g/∂n) (1)

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

где D — D-фактор, I — ток, I_th — пороговый ток, η_i — внутренняя квантовая эффективность, Γ — оптический коэффициент замыкания, V_g — групповая скорость, q — элементарный заряд, V_a — объем активной (усиливающей) области, ∂g/∂n — дифференциальная усиленность, γ — демпфирующий фактор, K — K-фактор, γ_o — смещение демпфирующего фактора, τ_p — время жизни фотона, ε — фактор компрессии усиления [28].

Таким образом, мы можем улучшить частотный отклик производительности приборов, уменьшая время жизни фотона и эффективный объем резонатора и увеличивая дифференциальную усиленность. Основываясь на этих соображениях, мы используем те же параметры для следующего раздела для улучшения оптического отклика. Рис. 4a-d показывает малосигнальный модуляционный отклик VCSEL A и VCSEL B при 25 °C и 85 °C. Из результатов симуляции высокоскоростного оптического отклика, он имеет хорошую 3-дБ полосу пропускания от 18,4 ГГц и 15,5 ГГц (VCSEL A) до 21,2 ГГц и 19 ГГц (VCSEL B) и также указывает, что 3-дБ полоса пропускания была улучшена примерно на 15,2% и 22,5% соответственно. Таким образом, благодаря увеличению коэффициента замыкания, VCSEL приборы имеют более низкий пороговый ток в излучении и лучшую полосу пропускания в VCSEL может быть atribuирована увеличению коэффициента замыкания с использованием меньшего размера оксидного апертуры.

Симуляция малосигнального модуляционного отклика для VCSEL приборов с длиной резонатора 3λ/2; таким образом, VCSEL A и B с 7 мкм и 5 мкм диаметром апертуры соответственно, для VCSEL A при a 25 °C и b 85 °C, и для VCSEL B при c 25 °C и d 85 °C.

В следующем случае мы сохраняем 5-мкм оксидный апертур и сокращаем длину резонатора до λ/2. Рис. 5a и b показывает малосигнальный модуляционный отклик VCSEL C при 25 °C и 85 °C. Из результатов симуляции высокоскоростного оптического отклика, он имеет хорошую 3-дБ полосу пропускания от 21,2 ГГц и 19 ГГц (VCSEL B) до 30,5 ГГц и 24,5 ГГц (VCSEL C) и также указывает, что 3-дБ полоса пропускания была улучшена примерно на 43,9% и 28,9% соответственно. Таким образом, оба результаты симуляции показывают, что VCSEL приборы, имеющие более низкий пороговый ток и большую полосу пропускания, приписываются увеличению коэффициента замыкания с использованием более короткой длины резонатора.

Симуляция малосигнального модуляционного отклика для VCSEL C: длина резонатора λ/2, 5 мкм диаметр апертуры при a 25 °C и b 85 °C.

Рис. 6 показывает смоделированный f_3dB против квадратного корня из (I - I_th). Наклон этих точек данных может быть выражен как

f_3dB = D × √(I - I_th) (3)

3-дБ частота против квадратного корня из (I - I_th) симуляции для VCSEL A, VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (реальный) при a 25 °C и b 85 °C.

D-фактор — важный параметр, связанный с внутренней квантовой эффективностью и дифференциальной усиленностью квантовых ям для VCSEL, работающего на высокой скорости [29]. Таким образом, D-фактор был 6,9, 7,3 и 11 ГГц/мА¹ᐟ² при 25 °C для приборов VCSEL A, B и C соответственно. С другой стороны, D-фактор был 6,0, 6,7 и 9,4 ГГц/мА¹ᐟ² при 85 °C для приборов VCSEL A, B и C соответственно. Из наших результатов D-фактор обратно пропорционален диаметру оксидного апертуры и длине резонатора. И больший D-фактор будет сопровождаться меньшим пороговым током. Кроме того, VCSEL с меньшими диаметрами оксидного апертуры (5 мкм) и более короткой длиной резонатора (λ/2) особенно хорошо подходят для передачи данных при низкой энергии на бит [30-32]. Мы ожидаем, что VCSEL может достичь безошибочной скорости передачи до 50 Гбит/с.

Далее, мы изготовили VCSEL прибор и сравнили результат симуляции и реальные тестовые данные; затем мы изготовили VCSEL прибор. На рис. 6, D-фактор VCSEL C (реальный) был 8,5 и 8,3 ГГц/мА¹ᐟ² при 25 °C и 85 °C соответственно. Рис. 7 показывает измеренный малосигнальный модуляционный отклик при 25 °C и 85 °C. Как мы видим, 3-дБ полоса пропускания измерения составляет 29,3 и 24,6 ГГц при 25 °C и 85 °C соответственно. В реальном приборе это было немного ниже, чем в симуляции VCSEL C. Разница может исходить от теплового эффекта и паразитных ограничений из-за фабрикации прибора, как мы упоминали ранее. По сравнению с результатами других, наша симуляция ближе к нашим собственным экспериментам [21-23]. Это указывает на то, что наш результат VCSEL симуляции может быть применен для высокоскоростного лазера.

Измеренный малосигнальный модуляционный отклик для VCSEL C (реальный): длина резонатора λ/2, 5 мкм диаметр апертуры при a 25 °C и b 85 °C.

Заключение

В заключении, мы оптимизировали оксидный апертур и длину резонатора VCSEL структуры программой симуляции PICS3D. Опираясь на эти результаты, мы изготовили 50-Гбит/с VCSEL приборы. Результаты показали снижение порогового тока и улучшение 3-дБ полосы пропускания в VCSEL приборах. Наконец, высокоскоростные VCSEL приборы (до 50-Гбит/с скорость передачи данных при 85 °C) были продемонстрированы и успешно создана PICS3D модель для проектирования 50-Гбит/с VCSEL прибора.

Доступность данных и материалов

В текущей работе данные и анализ доступны у соответствующих авторов по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

EIM:

Метод эффективного индекса

MQW:

Множественные квантовые ямы

PICS3D:

Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D

QWs:

Квантовые ямы

DBR:

Распределенный браггсовский рефлектор

VCSELs:

Вертикальные лазеры с поверхностным излучением