Desain, Pemodelan, dan Pembuatan VCSEL 850‑nm yang Mencapai Laju Data 50 Gb/s

Abstrak

Kami telah mempelajari karakteristik respons frekuensi pada laser permukaan vertikal kavitas (VCSEL) GaAs 850‑nm berkecepatan tinggi dengan berbagai ukuran lubang oksida dan panjang kavitas menggunakan program simulasi PICS3D. Dengan menggunakan ukuran lubang oksida 5‑μm, perilaku respons frekuensi dapat ditingkatkan dari 18,4 GHz dan 15,5 GHz menjadi 21,2 GHz dan 19 GHz pada maksimum 3 dB pada 25 °C dan 85 °C, masing-masing. Hasil simulasi numerik juga menunjukkan bahwa performa respons frekuensi ditingkatkan dari 21,2 GHz dan 19 GHz menjadi 30,5 GHz dan 24,5 GHz pada maksimum 3 dB pada 25 °C dan 85 °C karena pengurangan panjang kavitas dari 3λ/2 menjadi λ/2. Akibatnya, perangkat VCSEL berkecepatan tinggi diproduksi pada struktur yang dimodifikasi dan menunjukkan laju data 50‑Gb/s pada 85 °C.

Pendahuluan

Dalam beberapa tahun terakhir, dioda laser permukaan vertikal kavitas (VCSEL) telah menjadi transmiter favorit untuk saluran data optik [1, 2]. Sementara itu, perangkat VCSEL GaAs memiliki beberapa keuntungan seperti arus ambang rendah, konsumsi daya, dan sudut divergensi kecil, serta iluminasi sisi atas yang mudah untuk membuat array. Permintaan telah tumbuh dengan pesat seiring dengan kebutuhan besar untuk Internet 5G, sensing 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 solusi numerik komprehensif 3D yang menawarkan perlakuan ketat dan konsisten pada properti termal, listrik, dan optik dengan menyelesaikan persamaan terkait berdasarkan metode Newton‑Raphson nonlinier. Tujuan utamanya adalah untuk menyediakan simulator 3D untuk dioda laser yang memancar dari tepi dan permukaan. Ini juga telah diperluas untuk mencakup model untuk komponen lain yang terintegrasi dengan atau terkait dengan pemancar laser. Dalam penelitian ini, kami mensimulasikan VCSEL GaAs; tentu saja, ini juga dapat diperluas dengan mudah ke VCSEL GaN, LED, dll. [15, 16].

Proses oksidasi pertama dalam bahan senyawa III–V ditemukan di Universitas Illinois di Urbana‑Champaign oleh Dallesasse dan Holonyak pada 1989 [17]. Melalui proses oksidasi, perangkat VCSEL dapat menyempitkan ukuran diameter lubang oksida. Dengan demikian, ini tidak hanya dapat mempromosikan operasi mode tunggal tetapi juga operasi berkecepatan tinggi dan performa mode tunggal.

Untuk mencapai bandwidth modulasi tinggi, sebagian besar desainer akan mencari faktor D yang besar dan faktor K yang wajar rendah, biasanya gain diferensial tinggi dengan menggunakan QW yang diregangkan. Umur foton rendah dengan menyesuaikan fase DBR atas [18], faktor penahanan tinggi dengan menggunakan kavitas pendek, dan lubang oksida kecil yang diperlukan. Di sisi lain, pengurangan parasit listrik juga dapat meningkatkan kecepatan modulasi. Ini termasuk kapasitansi parasit dari plat sambungan, sambungan dioda intrinsik, dan area di bawah lubang kontak logam yang menghubungkan DBR, lapisan oksidasi, dll., dan juga termasuk resistensi parasit dari DBR, resistensi sambungan. Namun, resistensi parasit tidak selalu semakin rendah semakin baik; itu perlu cocok dengan impedansi 50 Ohm. Seiring dengan perkembangan perangkat VCSEL berkecepatan tinggi untuk komunikasi data, ada beberapa kertas yang mencatat kemajuan [19, 20]. Saat ini, perangkat VCSEL 850‑nm 50‑Gb/s state‑of‑the‑art telah berhasil diungkapkan 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 laboratorium lain, dan data kami sangat dekat dengan hasil mereka.

Namun, cara paling efektif untuk meningkatkan gain diferensial adalah penggunaan kuat kualitatif ganda (MQB) yang diregangkan, seperti mengganti MQB GaAs/AlGaAs dengan MQB InGaAs/AlGaAs [24, 25]. Dalam bahan berbasis GaAs, massa efektif lubang jauh lebih besar dari massa efektif elektron, yang menyebabkan level quasi‑Fermi terpisah menuju band valensi [26]. Oleh karena itu, jika kami menerapkan regangan pada lapisan aktif, massa lubang efektif dapat berkurang secara signifikan karena pemisahan level quasi‑Fermi menjadi lebih seimbang antara band konduksi dan valensi. Gain diferensial dapat dianggap sebagai pertumbuhan gain dengan densitas pembawa setelah pemisahan level quasi‑Fermi menjadi lebih simetris, dan dalam waktu yang sama, gain diferensial akan menjadi lebih kompresif dalam MQB yang diregangkan. Selain itu, regangan juga akan melepaskan efek campuran band valensi dengan meningkatkan selisih energi antara band lubang berat dan lubang ringan. Dalam penelitian ini, simulasi numerik dioptimalkan ke struktur perangkat VCSEL melalui perangkat lunak Crosslight PICS3D [27].

Metode/Eksperimen

Gambar 1 menunjukkan skematis perangkat VCSEL GaAs 850‑nm untuk struktur simulasi dalam penelitian ini. Untuk VCSEL oksida ini, struktur lapisan epitaksial dari bawah ke atas termasuk substrat GaAs, n‑DBR 34 pasangan Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As, lapisan aktif MQB InGaAs dengan lima QW In_0.08Ga_0.92As yang diregangkan dipisahkan oleh enam lapisan barrier kuantum Al_0.37Ga_0.63As, p‑DBR, dan lapisan kontak p‑GaAs yang di‑dop tinggi. Namun, lapisan p‑DBR termasuk dua lapisan oksidasi Al_0.98Ga_0.02As dan empat lapisan oksidasi Al_0.96Ga_0.04As dan 13 pasangan lapisan Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As. Terdapat dua jenis ukuran lubang oksida, 5 μm dan 7 μm dalam desain kami. Dua lapisan oksidasi Al_0.98Ga_0.02As akan memberikan pembatasan lubang untuk fungsi listrik dan optik, dan empat lapisan Al_0.96Ga_0.04As akan mengurangi kapasitansi parasit dan lebih meningkatkan respons optik. Dengan demikian, kami menghitung potensi listrik dan distribusi muatan melalui persamaan Poisson, menghitung transportasi pembawa dari persamaan kontinuitas arus, menggunakan pendekatan indeks efektif (EIM) yang telah berhasil diterapkan untuk menghitung berbagai struktur VCSEL, dan menggunakan metode transfer‑matriks dalam perhitungan kavitas laser setara. Dalam penelitian ini, diterapkan untuk melakukan simulasi VCSEL kami adalah modul VCSEL dalam perangkat lunak Crosslight PICS3D yang mencakup efek mekanika kuantum, listrik, termal, dan optik kavitas DBR, dengan interaksi self‑consistent yang lebih kuat daripada perangkat optoelektronik lain yang diterapkan untuk melakukan simulasi VCSEL kami. Mengingat bahwa struktur VCSEL yang disimulasikan simetris, sistem koordinat silinder, bukan sistem koordinat Kartesius, digunakan untuk menghemat waktu simulasi. Rumus iterasi Newton yang canggih digunakan dalam perangkat lunak untuk memastikan jawaban yang benar ditemukan dalam persamaan nonlinier dalam modul VCSEL. Dalam laporan ini, kami secara khusus mempertimbangkan berbagai jenis ukuran lubang oksida dan panjang kavitas untuk meningkatkan performa perangkat VCSEL. VCSEL A dan B dirancang untuk lubang oksida 7‑μm dan 5‑μm dengan panjang kavitas 3λ/2, masing-masing. Di sisi lain, VCSEL C mengadopsi desain lubang oksida 5‑μm dengan panjang kavitas λ/2.

Desain, Pemodelan, dan Pembuatan VCSEL 850‑nm yang Mencapai Laju Data 50 Gb/s

Hasil dan Pembahasan

Pada VCSEL A dan B, panjang kavitas mereka adalah 3λ/2 tetapi memiliki diameter lubang oksida yang berbeda 7 μm (VCSEL A) dan 5 μm (VCSEL B), masing-masing. Dari hasil simulasi, kurva L‑I digambarkan pada Gambar 2 a dan b. Kami dapat melihat bahwa arus ambang VCSEL B (I_th 0,6 mA dan 0,73 mA) selalu lebih rendah daripada VCSEL A (I_th 0,82 mA dan 0,94 mA) pada 25 °C dan 85 °C, masing-masing. Jelas, I_th menjadi lebih besar seiring dengan peningkatan ukuran lubang oksida. Untuk mencapai volume mode yang semakin kecil dalam arah vertikal dan meningkatkan faktor D, kavitas optik tekat λ/2 pendek digunakan dan kemudian dipastikan pada lubang oksida 5‑μm dalam VCSEL C. Dari kurva L‑I, kami dapat melihat bahwa arus ambang VCSEL C (I_th 0,55 mA dan 0,67 mA) selalu lebih rendah daripada VCSEL B (I_th 0,6 mA dan 0,73 mA) pada 25 °C dan 85 °C, masing-masing, seperti ditunjukkan pada Gambar 3 a. Dalam data eksperimen VCSEL C (nyata), kurva L‑I‑V ditunjukkan pada Gambar 3 b, I_th VCSEL C (nyata) adalah 0,8 mA dan 1,08 mA pada 25 °C dan 85 °C, masing-masing. Dalam kasus nyata, karena efek termal dapat menyebabkan perbedaan I_th antara kasus nyata dan simulasi, hasil dapat diharapkan.

Menurut fungsi frekuensi resonansi (fr) and 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)

di mana D adalah faktor D, I adalah arus, I_th adalah arus ambang, η_i adalah efisiensi kuantum internal, Г adalah faktor penahanan optik, V_g adalah kecepatan grup, q adalah muatan dasar, V_a adalah volume wilayah aktif (gain), $ \frac{\partial g}{\partial n} $ adalah gain diferensial, γ adalah faktor redaman, K adalah faktor K, γ_o adalah offset faktor redaman, τ_p adalah umur foton, dan ε adalah faktor kompresi gain [28].

Dengan demikian, kita dapat meningkatkan respons frekuensi performa perangkat dengan mengurangi umur foton dan volume efektif resonator serta meningkatkan gain diferensial. Berdasarkan pertimbangan ini, kami menggunakan parameter yang sama untuk bagian selanjutnya untuk meningkatkan respons optik. Gambar 4 a–d menunjukkan respons modulasi sinyal kecil VCSEL A dan VCSEL B pada 25 °C dan 85 °C. Dari hasil simulasi respons optik berkecepatan tinggi, memiliki bandwidth 3 dB yang baik dari 18,4 GHz dan 15,5 GHz (VCSEL A) menjadi 21,2 GHz dan 19 GHz (VCSEL B) dan juga menunjukkan bahwa bandwidth 3 dB ditingkatkan sekitar 15,2 % dan 22,5 %, masing-masing. Dengan demikian, disebabkan oleh peningkatan faktor penahanan, perangkat VCSEL memiliki arus ambang yang lebih rendah dalam emisi dan bandwidth yang lebih baik pada VCSEL dapat dikaitkan dengan peningkatan faktor penahanan menggunakan ukuran lubang oksida yang lebih kecil.

Dalam kasus berikutnya, kami mempertahankan lubang oksida 5‑μm dan mempersempit panjang kavitas menjadi λ/2. Gambar 5 a dan b menunjukkan respons modulasi sinyal kecil VCSEL C pada 25 °C dan 85 °C. Dari hasil simulasi respons optik berkecepatan 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 bahwa bandwidth 3 dB ditingkatkan sekitar 43,9 % dan 28,9 %, masing-masing. Dengan demikian, kedua hasil simulasi menunjukkan bahwa perangkat VCSEL yang memiliki arus ambang lebih rendah dan bandwidth lebih besar dikaitkan dengan peningkatan faktor penahanan menggunakan panjang kavitas yang lebih pendek.

Gambar 6 menunjukkan f3dB simulasi versus akar kuadrat dari (I − I_th). Kemiringan dari titik data ini dapat diekspresikan sebagai

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

Faktor D adalah parameter penting yang terkait dengan efisiensi kuantum internal dan gain diferensial kuat kualitatif untuk operasi VCSEL berkecepatan tinggi [29]. Dengan demikian, 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 bersifat berbanding terbalik dengan diameter lubang oksida dan panjang kavitas. Dan faktor D yang lebih besar akan seiring dengan arus ambang yang lebih kecil. Selain itu, VCSEL dengan diameter lubang oksida yang lebih kecil (5 μm) dan panjang kavitas yang lebih pendek (λ/2) sangat cocok untuk transmisi data pada energi per bit rendah [30,31,32]. Kami mengharapkan VCSEL dapat mencapai tingkat operasi bebas kesalahan hingga 50 Gb/s.

Selanjutnya, kami memproduksi perangkat VCSEL dan membandingkan hasil simulasi dengan data pengujian nyata; selanjutnya, kami memproduksi perangkat VCSEL. Pada Gambar 6, faktor D VCSEL C (nyata) adalah 8,5 dan 8,3 GHz/mA^1/2 pada 25 °C dan 85 °C, masing-masing. Gambar 7 menunjukkan respons modulasi sinyal kecil yang diukur pada 25 °C dan 85 °C. Seperti yang dapat kita lihat, bandwidth 3 dB dari pengukuran adalah 29,3 dan 24,6 GHz pada 25 °C dan 85 °C, masing-masing. Dalam kasus perangkat nyata, sedikit lebih rendah daripada kasus simulasi VCSEL C. Perbedaan mungkin berasal dari efek termal dan keterbatasan parasit akibat pembuatan 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.

Kesimpulan

Dalam kesimpulan, kami telah mengoptimalkan lubang oksida dan panjang kavitas struktur VCSEL dengan program simulasi PICS3D. Merujuk pada hasil ini, kami memproduksi perangkat VCSEL 50‑Gb/s. Hasil menunjukkan penurunan arus ambang dan peningkatan bandwidth 3 dB pada perangkat VCSEL. Akhirnya, perangkat VCSEL berkecepatan tinggi (hingga laju data 50‑Gb/s pada 85 °C) telah ditunjukkan dan berhasil untuk membuat model PICS3D untuk desain perangkat VCSEL 50‑Gb/s.