Desain, Pemodelan, dan Fabrikasi VCSEL Berkecepatan Tinggi dengan Kecepatan Data hingga 50 Gb/dtk

Abstrak

Kami telah mempelajari karakteristik respons frekuensi pada laser pemancar permukaan rongga vertikal (VCSELs) berkecepatan tinggi 850-nm GaAs dengan berbagai jenis ukuran bukaan oksida dan panjang rongga menggunakan program simulasi PICS3D. Menggunakan ukuran aperture oksida 5-m, perilaku respons frekuensi dapat ditingkatkan dari 18,4 GHz dan 15,5 GHz menjadi 21,2 GHz dan 19 GHz dalam maksimum 3 dB pada masing-masing 25 °C dan 85 °C. Hasil simulasi numerik juga menunjukkan bahwa kinerja respons frekuensi meningkat dari 21,2 GHz dan 19 GHz menjadi 30,5 GHz dan 24,5 GHz dalam maksimum 3 dB pada 25 °C dan 85 °C karena pengurangan panjang rongga dari 3λ/2 menjadi /2. Akibatnya, perangkat VCSEL berkecepatan tinggi dibuat pada struktur yang dimodifikasi dan menunjukkan kecepatan data 50 Gb/dtk pada 85 °C.

Pengantar

Dalam beberapa tahun, dioda laser pemancar permukaan rongga vertikal (VCSELs) telah menjadi pemancar favorit untuk tautan data optik [1, 2]. Sementara itu, perangkat GaAs VCSEL memiliki beberapa keunggulan seperti arus ambang rendah, konsumsi daya, dan sudut divergensi kecil, serta pencahayaan sisi atas yang mudah untuk membuat array. Permintaannya telah berkembang pesat seiring dengan persyaratan besar untuk Internet 5G, penginderaan 3D, LiDAR, fotodetektor berkecepatan tinggi, dll. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] .

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) adalah simulator 3D canggih untuk dioda laser dan perangkat fotonik aktif terkait. PISC3D adalah pemecah numerik komprehensif 3D yang menawarkan perawatan yang ketat dan konsisten pada sifat termal, listrik, dan optik dengan menyelesaikan persamaan terkait berdasarkan metode Newton-Raphson nonlinier. Tujuan utamanya adalah menyediakan simulator 3D untuk dioda laser pemancar tepi dan permukaan. Ini juga telah diperluas untuk menyertakan model untuk komponen lain yang terintegrasi dengan atau terkait dengan pemancar laser. Dalam penelitian ini, kami mensimulasikan GaAs VCSEL; tentu saja, itu juga diperluas dengan mudah ke GaN VCSEL, LED, dll. [15, 16].

Proses oksidasi pertama pada bahan senyawa III-V ditemukan di Universitas Illinois di Urbana-Champaign oleh Dallesasse dan Holonyak pada tahun 1989 [17]. Melalui proses oksidasi, perangkat VCSEL dapat mempersempit ukuran diameter bukaan oksida. Dengan demikian, tidak hanya dapat mempromosikan operasi mode transversal tunggal tetapi juga operasi kecepatan tinggi dan kinerja mode tunggal.

Untuk mencapai bandwidth modulasi tinggi, sebagian besar desainer akan mencari faktor-D yang besar dan faktor-K rendah yang masuk akal, biasanya gain diferensial yang tinggi dengan menggunakan QW regangan. Masa pakai foton yang rendah dengan menyetel fase reflektor Bragg terdistribusi atas (DBR) [18], faktor kurungan tinggi dengan menggunakan rongga pendek, dan oksida rongga kecil diperlukan. Di sisi lain, mengurangi parasit listrik juga dapat meningkatkan kecepatan modulasi. Ini termasuk kapasitansi parasit dari bantalan ikatan, sambungan dioda intrinsik, dan area bukaan di bawah bantalan kontak logam yang menghubungkan DBR, lapisan oksidasi, dll., dan juga termasuk resistansi parasit dari DBR, resistansi sambungan. Namun, resistensi parasit tidak lebih baik serendah mungkin; itu harus cocok dengan impedansi 50 Ohm. Mengenai pengembangan perangkat VCSEL berkecepatan tinggi untuk komunikasi data, ada beberapa makalah yang mencatat kemajuan [19, 20]. Saat ini, perangkat VCSEL 50-Gb/s 850-nm yang canggih telah berhasil didemonstrasikan di Chalmers University of Technology (CUT) oleh Westbergh et al. dan University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) oleh Feng et al. [21,22,23]. Kami membandingkan hasil eksperimen kami dalam penelitian ini dengan lab lain, dan data kami sangat mirip dengan hasil mereka.

Namun, cara yang paling efektif untuk meningkatkan gain diferensial adalah penggunaan strain multiple quantum well (MQW), seperti mengganti GaAs/AlGaAs MQW dengan InGaAs/AlGaAs MQW [24, 25]. Pada material berbasis GaAs, massa efektif hole jauh lebih besar daripada massa efektif elektron, yang menyebabkan level quasi-Fermi terpisah ke arah pita valensi [26]. Oleh karena itu, jika kita menerapkan regangan pada lapisan aktif, massa lubang efektif dapat dikurangi secara signifikan karena pemisahan tingkat kuasi-Fermi lebih seimbang antara pita konduksi dan kelambu. Penguatan diferensial dapat dianggap sebagai pertumbuhan penguatan dengan densitas pembawa setelah pemisahan level kuasi-Fermi menjadi lebih simetris, dan sementara itu, penguatan diferensial akan menjadi lebih tekan pada MQW yang tegang. Selanjutnya, regangan juga akan melepaskan efek pencampuran pita kelambu dengan meningkatkan perbedaan energi antara pita lubang berat dan pita lubang ringan. Dalam penelitian ini, simulasi numerik dioptimalkan untuk struktur perangkat VCSEL melalui software Crosslight PICS3D [27].

Metode/eksperimental

Gambar 1 menunjukkan skema perangkat VCSEL GaAs 850 nm untuk struktur simulasi dalam penelitian ini. Untuk VCSEL oksida ini, struktur lapisan epitaxial dari bawah ke atas mencakup substrat GaAs, n-DBR dari 34 pasang Al_0,9 Ga_0,1 As/Al_0,12 Ga_0,88 Sebagai, lapisan aktif InGaAs MQW dengan lima In_0,08 Ga_0,92 QW regangan-as dipisahkan oleh enam Al_0,37 Ga_0,63 Sebagai lapisan penghalang kuantum, p-DBR, dan p-GaAs yang didoping berat sebagai lapisan kontak. Namun, lapisan p-DBR menyertakan dua Al_0,98 Ga_0,02 Sebagai lapisan oksidasi dan empat Al_0,96 Ga_0,04 Sebagai lapisan oksidasi dan 13 pasang Al_0,9 Ga_0,1 As/Al_0,12 Ga_0,88 Sebagai lapisan. Ada dua jenis ukuran aperture oksida, 5 μm dan 7 μm dalam desain kami. Kedua Al_0,98 Ga_0,02 Sebagai lapisan oksidasi akan mendapatkan kurungan aperture untuk fungsi listrik dan optik, dan empat Al_0,96 Ga_0,04 Sebagai lapisan akan mengurangi kapasitansi parasit dan lebih meningkatkan respon optik. Dengan demikian, kami menghitung potensi listrik dan distribusi muatan melalui persamaan Poisson, menghitung transport pembawa dari persamaan kontinuitas saat ini, menggunakan pendekatan metode indeks efektif (EIM) yang telah berhasil diterapkan untuk menghitung berbagai struktur VCSEL, dan menggunakan metode matriks transfer dalam perhitungan rongga laser yang setara. Dalam penelitian ini, yang diterapkan untuk melakukan simulasi VCSEL kami adalah modul VCSEL dalam perangkat lunak Crosslight PICS3D yang mencakup efek optik rongga mekanika kuantum, listrik, termal, dan DBR, dengan interaksi konsisten yang lebih kuat daripada perangkat optoelektronik lainnya yang diterapkan untuk melakukan simulasi VCSEL. Mengingat bahwa struktur VCSEL yang disimulasikan adalah simetris, sistem koordinat silinder, bukan sistem koordinat Cartesian, digunakan untuk menghemat waktu simulasi. Rumus iterasi Newton yang canggih digunakan dalam perangkat lunak untuk memastikan jawaban yang benar dapat ditemukan dalam persamaan nonlinier dalam modul VCSEL. Dalam laporan ini, kami secara khusus mempertimbangkan berbagai jenis ukuran bukaan oksida dan panjang rongga untuk meningkatkan kinerja perangkat VCSEL. VCSEL A dan B dirancang untuk aperture oksida 7-μm dan 5-m dengan panjang rongga masing-masing 3λ/2. Di sisi lain, VCSEL C mengadopsi desain aperture oksida 5-μm dengan panjang rongga /2.

Skema VCSEL 850-nm pemancar teratas

Hasil dan Diskusi

Dalam VCSEL A dan B, panjang rongganya adalah 3λ/2 tetapi memiliki diameter aperture oksida yang berbeda masing-masing 7 μm (VCSEL A) dan 5 μm (VCSEL B). Dari hasil simulasi, kurva L-I digambarkan pada Gambar 2 a dan b. Kita dapat melihat arus ambang VCSEL B (I _th 0,6 mA dan 0,73 mA) selalu lebih rendah dari VCSEL A (I _th 0.82 mA dan 0.94 mA) masing-masing pada 25 °C dan 85 °C. Jelas, I _th menjadi lebih besar seiring dengan meningkatnya ukuran aperture oksida. Untuk mencapai volume mode sekecil mungkin dalam arah vertikal dan meningkatkan faktor-D, digunakan rongga tebal /2 pendek dan kemudian dipasang pada bukaan oksida 5-μm di VCSEL C. Dari kurva LI, kita dapat lihat arus ambang VCSEL C (I _th 0,55 mA dan 0,67 mA) selalu lebih rendah dari VCSEL B (I _th 0,6 mA dan 0,73 mA) masing-masing pada 25 °C dan 85 °C, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 a. Pada data percobaan VCSEL C (nyata), kurva L-I-V ditunjukkan pada Gambar. 3 b, I _th VCSEL C (nyata) masing-masing adalah 0,8 mA dan 1,08 mA pada 25 °C dan 85 °C. Dalam kasus nyata, karena efek termal dapat menyebabkan perbedaan I _th antara kasus nyata dan simulasi, hasilnya dapat diharapkan.

Karakteristik arus cahaya untuk simulasi perangkat VCSEL dengan panjang rongga 3λ/2 untuk a VCSEL A:Diameter apertur 7 μm pada 25 °C dan 85 °C, dan b VCSEL B:diameter aperture 5 μm pada 25 °C dan pada 85 °C

a Karakteristik arus cahaya untuk simulasi VCSEL C:panjang rongga λ/2, diameter bukaan 5 μm pada 25 °C dan 85 °C. b Karakteristik tegangan arus cahaya terukur dari VCSEL C pada 25 °C dan 85 °C

Menurut frekuensi resonansi (fr ) dan fungsi laju redaman,

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

dimana D adalah faktor-D, I adalah arus, Aku _th adalah arus ambang, η _i adalah efisiensi kuantum internal, Г adalah faktor kurungan optik, V _g adalah kecepatan grup, q adalah muatan dasar, V _a adalah volume wilayah aktif (penguatan), $ \frac{\parsial g}{\parsial n} $ adalah penguatan diferensial, γ adalah faktor redaman, K adalah faktor-K, γ _o adalah offset faktor redaman, τ _p adalah masa pakai foton, dan ε adalah faktor kompresi gain [28].

Dengan demikian, kami dapat meningkatkan respons frekuensi kinerja perangkat dengan mengurangi masa pakai foton dan volume efektif resonator serta meningkatkan penguatan diferensial. Berdasarkan pertimbangan ini, kami menggunakan parameter yang sama untuk bagian berikutnya guna meningkatkan respons optik. Gambar 4 a–d menunjukkan respon modulasi sinyal kecil dari VCSEL A dan VCSEL B pada 25 °C dan 85 °C. Dari hasil simulasi respon optik kecepatan tinggi, memiliki bandwidth 3-dB yang baik dari 18,4 GHz dan 15,5 G Hz (VCSEL A) hingga 21,2 GHz dan 19 GHz (VCSEL B) dan juga menunjukkan bandwidth 3-dB adalah meningkat sekitar 15,2% dan 22,5%, masing-masing. Dengan demikian, dikaitkan dengan faktor kurungan yang meningkat, perangkat VCSEL memiliki arus ambang batas yang lebih rendah dalam emisi dan bandwidth adonan di VCSEL dapat dikaitkan dengan faktor kurungan yang meningkat menggunakan ukuran aperture oksida yang lebih kecil.

Simulasi respons modulasi sinyal kecil untuk perangkat VCSEL dengan panjang rongga 3λ/2; dengan demikian, VCSEL A dan B masing-masing dengan diameter bukaan 7 μm dan 5 μm, untuk VCSEL A pada a 25 °C dan pada b 85 °C, dan untuk VCSEL B pada c 25 °C dan pada h 85 °C.

Dalam kasus berikut, kami mempertahankan bukaan oksida 5-μm dan memperpendek panjang rongga menjadi /2. Gambar 5 a dan b menunjukkan respons modulasi sinyal kecil dari VCSEL C pada 25 °C dan 85 °C. Dari hasil simulasi respon optik kecepatan tinggi, memiliki bandwidth 3-dB yang baik dari 21,2 GHz dan 19 GHz (VCSEL B) menjadi 30.5 GHz dan 24,5 GHz (VCSEL C) dan juga menunjukkan peningkatan bandwidth 3-dB sekitar 43,9% dan 28,9%, masing-masing. Dengan demikian, kedua hasil simulasi menunjukkan bahwa perangkat VCSEL yang memiliki arus ambang yang lebih rendah dan bandwidth yang lebih besar dikaitkan dengan faktor kurungan yang meningkat menggunakan panjang rongga yang lebih pendek.

Simulasi respons modulasi sinyal kecil untuk VCSEL C:/2 panjang rongga, diameter bukaan 5 μm pada a 25 °C dan pada b 85 °C

Gambar 6 menunjukkan simulasi f3dB versus akar kuadrat dari (I Aku _th ). Kemiringan titik data ini dapat dinyatakan sebagai

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

Frekuensi 3-dB versus akar kuadrat dari (I -Aku _th ) dari simulasi untuk VCSEL A,

VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (nyata) pada a 25 °C dan b 85 °C

Faktor D adalah parameter penting yang terkait dengan efisiensi kuantum internal dan penguatan diferensial sumur kuantum untuk VCSEL yang beroperasi pada kecepatan tinggi [29]. Jadi, faktor-D adalah 6,9, 7,3, dan 11 GHz/mA^1/2 pada 25 °C untuk perangkat VCSEL A, B, dan C, masing-masing. Di sisi lain, faktor D adalah 6,0, 6,7, dan 9,4 GHz/mA^1/2 pada 85 °C untuk perangkat VCSEL A, B, dan C, masing-masing. Dari hasil kami, faktor-D berbanding terbalik dengan diameter bukaan oksida dan panjang rongga. Dan faktor D yang lebih besar akan bersama dengan arus ambang yang lebih kecil. Selanjutnya, VCSEL dengan diameter aperture oksida yang lebih kecil (5 μm) dan panjang rongga yang lebih pendek (λ/2) sangat cocok untuk transmisi data pada energi per bit yang rendah [30,31,32]. Kami berharap VCSEL dapat mencapai tingkat operasi bebas kesalahan hingga 50 Gb/dtk.

Selanjutnya, kami membuat perangkat VCSEL dan membandingkan hasil simulasi dan data uji nyata; selanjutnya, kami membuat perangkat VCSEL. Pada Gambar. 6, faktor-D VCSEL C (nyata) adalah 8,5 dan 8,3 GHz/mA^1/2 masing-masing pada 25 °C dan 85 °C. Gambar 7 menunjukkan respons modulasi sinyal kecil terukur pada 25 °C dan 85 °C. Seperti yang kita lihat, bandwidth pengukuran 3-dB adalah 29,3 dan 24,6 GHz pada 25 °C dan 85 °C, masing-masing. Dalam kasus perangkat nyata, itu sedikit lebih rendah dari kasus simulasi VCSEL C. Perbedaannya mungkin berasal dari efek termal dan keterbatasan parasit karena fabrikasi perangkat, seperti yang kami sebutkan sebelumnya. Dibandingkan dengan hasil orang lain, simulasi kami lebih dekat dengan eksperimen kami sendiri [21,22,23]. Ini menunjukkan bahwa hasil simulasi VCSEL kami dapat diterapkan untuk laser berkecepatan tinggi.

Respons modulasi sinyal kecil terukur untuk VCSEL C (nyata):/2 panjang rongga, diameter bukaan 5 μm pada a 25 °C dan b 85 °C

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, kami mengoptimalkan bukaan oksida dan panjang rongga struktur VCSEL dengan program simulasi PICS3D. Mengacu pada hasil ini, kami membuat perangkat VCSEL 50-Gb/s. Hasil penelitian menunjukkan penurunan arus ambang dan peningkatan bandwidth 3-dB pada perangkat VCSEL. Terakhir, perangkat VCSEL berkecepatan tinggi (kecepatan data hingga 50 Gb/dtk pada 85 °C) telah didemonstrasikan dan berhasil membuat model PICS3D untuk desain perangkat VCSEL 50 Gb/dtk.