Projeto, modelagem e fabricação de VCSEL de alta velocidade com taxa de dados de até 50 Gb / s

Resumo

Nós estudamos as características da resposta de frequência em lasers de emissão de superfície de cavidade vertical de GaAs de 850 nm (VCSELs) com diferentes tipos de tamanhos de abertura de óxido e comprimento de cavidade usando o programa de simulação PICS3D. Usando tamanhos de abertura de óxido de 5 μm, o comportamento da resposta de frequência pode ser melhorado de 18,4 GHz e 15,5 GHz para 21,2 GHz e 19 GHz em um máximo de 3 dB a 25 ° C e 85 ° C, respectivamente. Os resultados da simulação numérica também sugerem que o desempenho da resposta de frequência melhorou de 21,2 GHz e 19 GHz para 30,5 GHz e 24,5 GHz em um máximo de 3 dB a 25 ° C e 85 ° C devido à redução do comprimento da cavidade de 3λ / 2 para λ / 2. Consequentemente, os dispositivos VCSEL de alta velocidade foram fabricados em uma estrutura modificada e exibiram uma taxa de dados de 50 Gb / s a 85 ° C.

Introdução

Em poucos anos, os diodos laser de superfície emissora de cavidade vertical (VCSELs) se tornaram os transmissores favoritos para links de dados ópticos [1, 2]. Enquanto isso, os dispositivos GaAs VCSEL têm algumas vantagens como baixo limite de corrente, consumo de energia e pequeno ângulo de divergência, bem como iluminação do lado superior facilmente para fazer um array. Sua demanda cresceu rapidamente junto com os enormes requisitos para Internet 5G, detecção 3D, LiDAR, fotodetectores de alta velocidade, etc. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] .

PICS3D (Simulador de Circuito Integrado Fotônico em 3D) é um simulador 3D de última geração para diodos de laser e dispositivos fotônicos ativos relacionados. PISC3D é um solucionador numérico 3D abrangente que oferece tratamento rigoroso e autoconsistente em propriedades térmicas, elétricas e ópticas, resolvendo as equações relacionadas com base no método não linear de Newton-Raphson. Seu objetivo principal é fornecer um simulador 3D para diodos de laser emissores de borda e superfície. Ele também foi expandido para incluir modelos de outros componentes integrados ou relacionados ao emissor de laser. Neste estudo, simulamos GaAs VCSEL; é claro, ele também se expandiu facilmente para GaN VCSEL, LED, etc. [15, 16].

O primeiro processo de oxidação em material composto III-V foi descoberto na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign por Dallesasse e Holonyak em 1989 [17]. Por meio de um processo de oxidação, os dispositivos VCSEL podem reduzir o tamanho do diâmetro da abertura de óxido. Assim, pode não só promover uma operação de modo transversal único, mas também operação de alta velocidade e desempenho de modo único.

Para obter uma largura de banda de alta modulação, a maioria dos projetistas buscaria um fator D grande e um fator K baixo razoável, normalmente um alto ganho diferencial usando QWs de deformação. Um baixo tempo de vida do fóton pelo ajuste da fase do refletor de Bragg distribuído no topo (DBR) [18], um alto fator de confinamento empregando uma cavidade curta e um óxido de cavidade pequeno são necessários. Por outro lado, reduzir os parasitas elétricos também pode melhorar a velocidade da modulação. Estes incluem capacitância parasita de almofadas de ligação, junção de diodo intrínseca e a área de abertura abaixo das almofadas de contato de metal que conectam DBRs, camadas de oxidação, etc., e também incluem resistência parasita de DBRs, resistência de junção. No entanto, a resistência parasitária não é tão baixa quanto possível; ele precisa corresponder a uma impedância de 50 Ohm. Em relação ao desenvolvimento de dispositivos VCSEL de alta velocidade para comunicação de dados, existem vários trabalhos que registram o progresso [19, 20]. Hoje, os dispositivos VCSEL de 50 Gb / s de 850 nm de última geração foram demonstrados com sucesso na Chalmers University of Technology (CUT) por Westbergh et al. e Universidade de Illinois Urbana-Champaign (UIUC) por Feng et al. [21,22,23]. Comparamos o resultado de nossos experimentos neste estudo com outros laboratórios, e nossos dados estão muito próximos de seus resultados.

No entanto, a maneira mais eficaz de aumentar o ganho diferencial é o uso do poço quântico múltiplo de deformação (MQW), como a substituição do GaAs / AlGaAs MQW pelo InGaAs / AlGaAs MQW [24, 25]. No material baseado em GaAs, a massa efetiva do buraco é muito maior do que a massa efetiva do elétron, o que faz com que o nível de quase-Fermi se separe em direção à banda de valência [26]. Portanto, se implementarmos a deformação em uma camada ativa, a massa efetiva do buraco pode ser reduzida significativamente porque a separação do nível de quase-Fermi é mais equilibrada entre a condução e a banda de valência. O ganho diferencial pode ser considerado como o crescimento do ganho com a densidade da portadora, uma vez que a separação de nível quase-Fermi torna-se mais simétrica e, nesse ínterim, o ganho diferencial se tornará mais compressivo no MQW deformado. Além disso, a tensão também irá liberar o efeito de mistura da banda de saia, aumentando a diferença de energia entre o furo pesado e a banda do furo leve. Neste estudo, a simulação numérica foi otimizada para a estrutura do dispositivo VCSEL por meio do software Crosslight PICS3D [27].

Métodos / experimental

A Figura 1 mostra o esquema do dispositivo GaAs VCSEL de 850 nm para a estrutura de simulação neste estudo. Para este óxido VCSEL, a estrutura da camada epitaxial de baixo para cima inclui um substrato GaAs, n-DBR de 34 pares de Al _0,9 Ga _0.1 As / Al _0,12 Ga _0,88 Como, uma camada ativa InGaAs MQW com cinco In _0,08 Ga _0,92 QWs tensos separados por seis Al _0,37 Ga _0,63 Como camadas de barreira quântica, p-DBR e um p-GaAs fortemente dopado como camada de contato. No entanto, as camadas p-DBR incluem dois Al _0,98 Ga _0,02 Como camadas de oxidação e quatro Al _0,96 Ga _0,04 Como camadas de oxidação e 13 pares de Al _0,9 Ga _0.1 As / Al _0,12 Ga _0,88 Como camadas. Existem dois tipos de tamanhos de abertura de óxido, 5 μm e 7 μm em nosso projeto. Os dois Al _0,98 Ga _0,02 À medida que as camadas de oxidação obteriam um confinamento de abertura para as funções elétrica e óptica, e os quatro Al _0,96 Ga _0,04 As camadas reduziriam a capacitância parasitária e melhorariam ainda mais a resposta óptica. Assim, calculamos o potencial elétrico e a distribuição de carga por meio da equação de Poisson, calculamos o transporte da portadora a partir das equações de continuidade de corrente, usamos a aproximação do método de índice efetivo (EIM) que foi aplicada com sucesso para calcular várias estruturas VCSEL e utilizamos o método da matriz de transferência em o cálculo da cavidade do laser equivalente. Neste estudo, aplicados para realizar nossas simulações VCSEL foram os módulos VCSEL no software Crosslight PICS3D que inclui mecânica quântica, elétrica, térmica e efeitos ópticos de cavidade DBR, com interação autoconsistente mais forte do que quaisquer outros dispositivos optoeletrônicos que foram aplicados para realizar nosso Simulações VCSEL. Considerando que a estrutura do VCSEL simulada é simétrica, o sistema de coordenadas cilíndricas, ao invés do sistema de coordenadas cartesianas, foi utilizado para economizar tempo de simulação. A sofisticada fórmula de iteração de Newton foi utilizada no software para garantir as respostas corretas a serem encontradas em equações não lineares no módulo VCSEL. Neste relatório, consideramos especialmente diferentes tipos de tamanhos de abertura de óxido e comprimentos de cavidade para melhorar o desempenho do dispositivo VCSEL. Os VCSEL A e B são projetados para aberturas de óxido de 7 μm e 5 μm com comprimento de cavidade de 3λ / 2, respectivamente. Por outro lado, o VCSEL C adota o projeto de abertura de óxido de 5 μm com comprimento de cavidade λ / 2.

O esquema do VCSEL de 850 nm de emissão superior

Resultados e discussão

Em VCSEL A e B, seus comprimentos de cavidade são 3λ / 2, mas têm diâmetros de abertura de óxido diferentes de 7 μm (VCSEL A) e 5 μm (VCSEL B), respectivamente. A partir dos resultados da simulação, as curvas L-I são representadas na Fig. 2 a e b. Podemos ver a corrente de limiar do VCSEL B ( I _th 0,6 mA e 0,73 mA) é sempre inferior ao VCSEL A ( I _th 0,82 mA e 0,94 mA) a 25 ° C e 85 ° C, respectivamente. Obviamente, o eu _th torna-se maior junto com o aumento do tamanho da abertura de óxido. Para alcançar o menor volume de modo possível na direção vertical e aumentar o fator D, uma cavidade λ / 2 opticamente espessa curta é usada e então fixada na abertura de óxido de 5 μm em VCSEL C. A partir da curva LI, podemos veja a corrente de limiar do VCSEL C ( I _th 0,55 mA e 0,67 mA) são sempre inferiores ao VCSEL B ( I _th 0,6 mA e 0,73 mA) a 25 ° C e 85 ° C, respectivamente, como mostrado na Fig. 3 a. Nos dados do experimento de VCSEL C (real), as curvas L-I-V são mostradas na Fig. 3b, o I _th de VCSEL C (real) são 0,8 mA e 1,08 mA a 25 ° C e 85 ° C, respectivamente. No caso real, porque o efeito térmico pode induzir a diferença de I _th entre o caso real e a simulação, os resultados podem ser esperados.

As características da corrente de luz para a simulação de dispositivos VCSEL com comprimento de cavidade 3λ / 2 para a VCSEL A:diâmetro de abertura de 7 μm a 25 ° C e a 85 ° C, e b VCSEL B:diâmetro de abertura de 5 μm a 25 ° C e a 85 ° C

a As características da corrente de luz para a simulação do VCSEL C:comprimento da cavidade λ / 2, diâmetro da abertura de 5 μm a 25 ° C e 85 ° C. b As características de tensão de corrente de luz medidas do VCSEL C a 25 ° C e 85 ° C

De acordo com a frequência de ressonância ( fr ) e função de taxa de amortecimento,
$$ fr =D \ bullet \ sqrt {I- {I} _ {\ mathrm {th}}} \ \ mathrm {onde} \ D =\ frac {1} {2 \ pi} \ bullet \ sqrt {\ frac {\ eta_i \ Gamma {V} _g} {q {V} _a} \ bullet \ frac {\ partial g} {\ partial n}} $$ (1) $$ \ gamma =K \ bullet {f_r} ^ 2 + {\ gamma} _o \ \ mathrm {onde} \ K =4 {\ pi} ^ 2 \ left ({\ tau} _p + \ frac {\ varejpsilon} {v_g \ left (\ raisebox {1ex} {$ \ partial g $} \! \ left / \! \ raisebox {-1ex} {$ \ partial n $} \ right. \ right)} \ right) $$ (2)
onde D é o fator D, I é o atual, eu _th é a corrente de limiar, η _i é a eficiência quântica interna, Г é o fator de confinamento óptico, V _g é a velocidade do grupo, q é a carga elementar, V _a é o volume da região ativa (ganho), \ (\ frac {\ partial g} {\ partial n} \) é o ganho diferencial, γ é o fator de amortecimento, K é o fator K, γ _o é o deslocamento do fator de amortecimento, τ _p é a vida útil do fóton, e ε é o fator de compressão de ganho [28].

Assim, podemos melhorar a resposta de frequência do desempenho do dispositivo reduzindo a vida útil do fóton e o volume efetivo do ressonador e aumentando o ganho diferencial. Com base nessas considerações, usamos os mesmos parâmetros para a próxima seção para melhorar a resposta óptica. A Figura 4 a – d mostra a resposta de modulação de sinal fraco de VCSEL A e VCSEL B a 25 ° C e 85 ° C. A partir do resultado da simulação de resposta óptica de alta velocidade, ele tem uma boa largura de banda de 3 dB de 18,4 GHz e 15,5 G Hz (VCSEL A) a 21,2 GHz e 19 GHz (VCSEL B) e também indica que a largura de banda de 3 dB foi aumentado em cerca de 15,2% e 22,5%, respectivamente. Assim, atribuído ao fator de confinamento crescente, os dispositivos VCSEL têm a corrente de limiar mais baixa na emissão e a largura de banda da massa no VCSEL pode ser atribuída ao fator de confinamento aumentado usando tamanho de abertura de óxido menor.

Simulação de resposta de modulação de pequeno sinal para dispositivos VCSEL com comprimento de cavidade 3λ / 2; assim, VCSEL A e B estão com 7 μm e 5 μm de diâmetro de abertura, respectivamente, para VCSEL A em a 25 ° C e a b 85 ° C, e para VCSEL B em c 25 ° C e a d 85 ° C.

No caso a seguir, mantemos a abertura de óxido de 5 μm e encurtamos o comprimento da cavidade para λ / 2. A Figura 5 aeb mostra a resposta de modulação de pequeno sinal de VCSEL C a 25 ° C e 85 ° C. A partir do resultado da simulação de resposta óptica de alta velocidade, ele tem uma boa largura de banda de 3 dB de 21,2 GHz e 19 GHz (VCSEL B) a 30,5 GHz e 24,5 GHz (VCSEL C) e também indica que a largura de banda de 3 dB foi aumentada em aproximadamente 43,9% e 28,9%, respectivamente. Assim, ambos os resultados da simulação mostram que os dispositivos VCSEL que têm a corrente de limite inferior e largura de banda maior atribuída ao fator de confinamento crescente usando comprimento de cavidade mais curto.

Simulação de resposta de modulação de pequeno sinal para VCSEL C:comprimento de cavidade λ / 2, diâmetro de abertura de 5 μm em a 25 ° C e a b 85 ° C

A Figura 6 mostra f3dB simulado versus a raiz quadrada de ( I - eu _th ) A inclinação desses pontos de dados pode ser expressa como
$$ {\ mathrm {f}} _ {3 \ mathrm {dB}} =D \ times \ sqrt {I- {I} _ {\ mathrm {th}}} $$ (3)

A frequência de 3 dB versus a raiz quadrada de ( I - eu _th ) da simulação para VCSEL A,

VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (real) em a 25 ° C e b 85 ° C

O fator D é um parâmetro importante relacionado à eficiência quântica interna e ao ganho diferencial dos poços quânticos para VCSEL operando em alta velocidade [29]. Assim, o fator D foi de 6,9, 7,3 e 11 GHz / mA ^1/2 a 25 ° C para dispositivos VCSEL A, B e C, respectivamente. Por outro lado, o fator D era 6,0, 6,7 e 9,4 GHz / mA ^1/2 a 85 ° C para dispositivos VCSEL A, B e C, respectivamente. A partir de nossos resultados, o fator D é inversamente proporcional ao diâmetro da abertura do óxido e ao comprimento da cavidade. E o maior fator D estará junto com a corrente de limiar menor. Além disso, os VCSELs com diâmetros de abertura de óxido menores (5 μm) e comprimento de cavidade mais curto (λ / 2) são especialmente adequados para transmissão de dados em baixa energia por bit [30,31,32]. Esperamos que o VCSEL possa atingir uma taxa de operação sem erros de até 50 Gb / s.

Em seguida, fabricamos o dispositivo VCSEL e comparamos o resultado da simulação e os dados reais do teste; em seguida, fabricamos o dispositivo VCSEL. Na Fig. 6, o fator D de VCSEL C (real) era de 8,5 e 8,3 GHz / mA ^1/2 a 25 ° C e 85 ° C, respectivamente. A Figura 7 mostra a resposta de modulação de sinal fraco medida a 25 ° C e 85 ° C. Como podemos ver, a largura de banda de medição de 3 dB é de 29,3 e 24,6 GHz a 25 ° C e 85 ° C, respectivamente. No caso real do dispositivo, foi um pouco menor do que no caso da simulação VCSEL C. A diferença pode vir do efeito térmico e da limitação parasitária devido à fabricação do dispositivo, como mencionamos anteriormente. Comparado com os resultados de outros, nossa simulação está mais próxima de nossos próprios experimentos [21,22,23]. Isso indica que o resultado da simulação do VCSEL pode ser aplicado ao laser de alta velocidade.

Resposta de modulação de pequeno sinal medido para VCSEL C (real):comprimento da cavidade λ / 2, diâmetro de abertura de 5 μm em a 25 ° C e b 85 ° C

Conclusões

Em conclusão, otimizamos a abertura de óxido e o comprimento da cavidade da estrutura VCSEL pelo programa de simulação PICS3D. Com referência a esses resultados, fabricamos dispositivos VCSEL de 50 Gb / s. Os resultados mostraram uma diminuição na corrente de limiar e melhora da largura de banda de 3 dB em dispositivos VCSEL. Finalmente, os dispositivos VCSEL de alta velocidade (taxa de dados de até 50 Gb / s a 85 ° C) foram demonstrados e criaram com sucesso o modelo PICS3D para o design de dispositivo VCSEL de 50 Gb / s.

Disponibilidade de dados e materiais

No presente trabalho, os dados e análises estão disponíveis com os autores correspondentes mediante solicitação razoável.

Abreviações

EIM:: Método de índice eficaz
MQW:: Poço quântico múltiplo
PICS3D:: Simulador de Circuito Integrado Fotônico em 3D
QWs:: Poços quânticos

DBR

Refletor Bragg Distribuído
VCSELs:: Lasers emissores de superfície com cavidade vertical

Transistores de efeito de campo InSe bidimensionais de alto desempenho com novo contato ôhmico em sanduíche para nós sub-10 nm:um estudo teórico Investigação da banda de energia na camada atômica depositada em heterojunções AZO / β-Ga2O3 (\ (\ overline {2} 01 \))

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