Projeto, Modelagem e Fabricação de VCSELs de 850 nm Alcançando Taxas de Dados de 50 Gb/s

Resumo

Estudamos as características de resposta em frequência de lasers de emissão superficial de cavidade vertical (VCSELs) de GaAs de alta velocidade a 850 nm com diferentes tamanhos de abertura de óxido e comprimentos de cavidade usando o programa de simulação PICS3D. Usando aberturas de óxido de 5 µm, a resposta em frequência pode ser melhorada 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. Resultados de simulação numérica também sugerem que o desempenho da resposta em 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 taxa de dados de 50 Gb/s a 85 °C.

Introdução

Em poucos anos, diodos laser de emissão superficial de cavidade vertical (VCSELs) tornaram-se transmissores favoritos para enlaces de dados ópticos [1, 2]. Enquanto isso, dispositivos VCSEL de GaAs têm vantagens como baixa corrente de limiar, consumo de energia e pequeno ângulo de divergência, bem como iluminação lateral superior facilitando a formação de arrays. Sua demanda cresceu rapidamente junto com enormes requisitos para Internet 5G, sensoriamento 3D, LiDAR, fotodetectores de alta velocidade, etc. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14].

PICS3D (Simulador de Circuito Fotônico Integrado em 3D) é um simulador 3D de ponta para diodos laser e dispositivos fotônicos ativos relacionados. PICS3D é um solucionador numérico 3D abrangente oferecendo tratamento rigoroso e auto-consistente em propriedades térmicas, elétricas e ópticas resolvendo as equações relacionadas baseadas no método não linear de Newton-Raphson. Seu objetivo principal é fornecer um simulador 3D para diodos laser de emissão lateral e superficial. Também foi expandido para incluir modelos para outros componentes integrados ou relacionados ao emissor laser. Neste estudo, simulamos VCSEL de GaAs; claro, também se expande facilmente para VCSEL de GaN, 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]. Através de um processo de oxidação, os dispositivos VCSEL podem reduzir o tamanho do diâmetro da abertura de óxido. Assim, não apenas promove operação de modo transversal único, mas também operação de alta velocidade e desempenho de modo único.

Para alcançar uma largura de banda de modulação alta, a maioria dos projetistas buscaria um grande fator D e fator K razoavelmente baixo, tipicamente um alto ganho diferencial usando QWs de tensão. Um baixo tempo de vida do fóton sintonizando a fase do refletor de Bragg distribuído (DBR) superior [18], um alto fator de confinamento empregando uma cavidade curta, e uma pequena abertura de óxido de cavidade são necessários. Por outro lado, reduzir parasitas elétricos também pode melhorar a velocidade de modulação. Estes incluem capacitância parasita de pads de ligação, junção diodo intrínseca e a área fora da abertura abaixo dos pads de contato metálico que conectam DBRs, camadas de oxidação, etc., e também incluem resistência parasita de DBRs, resistência de junção. No entanto, a resistência parasita não é melhor tão baixa quanto possível; ela precisa corresponder à impedância de 50 Ohm. Em relação ao desenvolvimento de dispositivos VCSEL de alta velocidade para comunicação de dados, há vários artigos que registram o progresso [19, 20]. Hoje, dispositivos VCSEL de 50 Gb/s a 850 nm de ponta foram demonstrados com sucesso na Chalmers University of Technology (CUT) por Westbergh et al. e na University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) por Feng et al. [21,22,23]. Comparamos nossos resultados experimentais neste estudo com outros laboratórios, e nossos dados estão muito próximos aos seus resultados.

No entanto, a maneira mais eficaz de aumentar o ganho diferencial é o uso de poço quântico múltiplo (MQW) de tensão, como substituir o MQW GaAs/AlGaAs por MQW InGaAs/AlGaAs [24, 25]. No material baseado em GaAs, a massa efetiva do buraco é muito maior que a massa efetiva do elétron, o que causa a separação do quasi-nível de Fermi em direção à banda de valência [26]. Portanto, se implementarmos tensão em uma camada ativa, a massa efetiva do buraco pode ser reduzida significativamente porque a separação do quasi-nível de Fermi torna-se mais equilibrada entre a banda de condução e valência. O ganho diferencial pode ser considerado como o crescimento do ganho com a densidade de portadores uma vez que a separação do quasi-nível de Fermi se torna mais simétrica, e enquanto isso, o ganho diferencial se tornará mais compressivo no MQW tensionado. Além disso, a tensão também liberará o efeito de mistura da banda de valência aumentando a diferença de energia entre as bandas de buraco pesado e leve. Neste estudo, a simulação numérica foi otimizada para a estrutura do dispositivo VCSEL através do software Crosslight PICS3D [27].

Métodos/Experimental

A Figura 1 mostra o esquema do dispositivo VCSEL GaAs de 850 nm para estrutura de simulação neste estudo. Para este VCSEL de óxido, a estrutura de camada epitaxial de baixo para cima inclui um substrato de GaAs, DBR tipo-n de 34 pares de Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As, uma camada ativa MQW de InGaAs com cinco QWs tensionados In_0.08Ga_0.92As separados por seis camadas de barreira quântica Al_0.37Ga_0.63As, DBR tipo-p, e um GaAs tipo-p fortemente dopado como camada de contato. No entanto, as camadas DBR tipo-p incluem duas camadas de oxidação Al_0.98Ga_0.02As e quatro camadas de oxidação Al_0.96Ga_0.04As e 13 pares de camadas Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As. Existem dois tipos de tamanhos de abertura de óxido, 5 µm e 7 µm em nosso design. As duas camadas de oxidação Al_0.98Ga_0.02As obteriam um confinamento de abertura para as funções elétrica e óptica, e as quatro camadas Al_0.96Ga_0.04As reduziriam a capacitância parasita e melhorariam ainda mais a resposta óptica. Assim, calculamos o potencial elétrico e distribuição de carga via equação de Poisson, calculamos o transporte de portadores das equações de continuidade de corrente, usamos o método de índice efetivo (EIM) que foi aplicado com sucesso para calcular várias estruturas VCSEL, e utilizamos o método de matriz de transferência no cálculo de cavidade laser equivalente. Neste estudo, aplicado para realizar nossas simulações VCSEL foram os módulos VCSEL no software Crosslight PICS3D que inclui efeitos quântico-mecânicos, elétricos, térmicos e ópticos de cavidade DBR, com interação auto-consistente mais forte do que quaisquer outros dispositivos optoeletrônicos que foram aplicados para realizar nossas simulações VCSEL. Considerando que a estrutura VCSEL simulada é simétrica, sistema de coordenadas cilíndricas, em vez do sistema de coordenadas cartesiano, foi usado para economizar tempo de simulação. A fórmula de iteração de Newton sofisticada foi utilizada no software para garantir que as respostas corretas sejam 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. VCSEL A e B são projetados para aberturas de óxido de 7 µm e 5 µm com comprimento de cavidade 3λ/2, respectivamente. Por outro lado, VCSEL C adota o design de abertura de óxido de 5 µm com comprimento de cavidade λ/2.

Resultados e Discussão

No VCSEL A e B, seus comprimentos de cavidade são 3λ/2 mas têm diferentes diâmetros de abertura de óxido 7 µm (VCSEL A) e 5 µm (VCSEL B), respectivamente. Dos resultados de simulação, curvas L-I são representadas na Fig. 2 a e b. Podemos ver que a corrente de limiar do VCSEL B (I_th 0.6 mA e 0.73 mA) é sempre menor que a do VCSEL A (I_th 0.82 mA e 0.94 mA) a 25 °C e 85 °C, respectivamente. Obviamente, o I_th torna-se maior junto com o aumento do tamanho da abertura de óxido. Para alcançar o menor modo-volume possível na direção vertical e aumentar o fator D, uma cavidade opticamente espessa λ/2 curta é usada e então fixada na abertura de óxido de 5 µm no VCSEL C. Da curva L-I, podemos ver que a corrente de limiar do VCSEL C (I_th 0.55 mA e 0.67 mA) são sempre menores que a do 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 experimentais do VCSEL C (real), curvas L-I-V são mostradas na Fig. 3 b, o I_th do VCSEL C (real) são 0.8 mA e 1.08 mA a 25 °C e 85 °C, respectivamente. No caso real, como o efeito térmico pode induzir a diferença de I_th entre o caso real e simulação, resultados podem ser esperados.

De acordo com a frequência de ressonância (fr) e função de taxa de amortecimento,

$$ fr=D\bullet \sqrt{I-{I}_{\mathrm{th}}}\ \mathrm{where}\ D=\frac{1}{2\pi}\bullet \sqrt{\frac{\eta_i\Gamma {V}_g}{q{V}_a}\bullet \frac{\partial g}{\partial n}} $$ (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)

onde D é o fator D, I é a corrente, I_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 de 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 o tempo de vida do fóton, e ε é o fator de compressão de ganho [28].

Assim, podemos melhorar a resposta em frequência do desempenho do dispositivo reduzindo o tempo de vida do fóton e o volume efetivo do ressonador e aumentando o ganho diferencial. Baseado 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 pequeno sinal do VCSEL A e VCSEL B a 25 °C e 85 °C. Do resultado de simulação de resposta óptica de alta velocidade, tem uma boa largura de banda de 3-dB de 18.4 GHz e 15.5 GHz (VCSEL A) para 21.2 GHz e 19 GHz (VCSEL B) e também indica que a largura de banda de 3-dB foi aprimorada em aproximadamente 15.2% e 22.5%, respectivamente. Assim, atribuído ao fator de confinamento crescente, os dispositivos VCSEL têm a menor corrente de limiar na emissão e a melhor largura de banda no VCSEL pode ser atribuída ao fator de confinamento aumentado usando menor tamanho de abertura de óxido.

No caso seguinte, mantemos a abertura de óxido de 5 µm e encurtamos o comprimento da cavidade para λ/2. A Figura 5 a e b mostra a resposta de modulação de pequeno sinal do VCSEL C a 25 °C e 85 °C. Do resultado de simulação de resposta óptica de alta velocidade, tem uma boa largura de banda de 3-dB de 21.2 GHz e 19 GHz (VCSEL B) para 30.5 GHz e 24.5 GHz (VCSEL C) e também indica que a largura de banda de 3-dB foi aprimorada em aproximadamente 43.9% e 28.9%, respectivamente. Assim, ambos resultados de simulação mostram que os dispositivos VCSEL que têm a menor corrente de limiar e maior largura de banda atribuídos ao fator de confinamento crescente usando menor comprimento de cavidade.

A Figura 6 mostra f3dB simulado versus a raiz quadrada de (I − I_th). A inclinação desses pontos de dados pode ser expressa como

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

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 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 foi 6.0, 6.7 e 9.4 GHz/mA^1/2 a 85 °C para dispositivos VCSEL A, B e C, respectivamente. De nossos resultados, o fator D é inversamente proporcional ao diâmetro da abertura de óxido e ao comprimento da cavidade. E o maior fator D será junto com menor corrente de limiar. Além disso, os VCSELs com menores diâmetros de abertura de óxido (5 µm) e menor comprimento de cavidade (λ/2) são especialmente adequados para transmissão de dados a baixa energia por bit [30,31,32]. Esperamos que o VCSEL possa alcançar taxa de operação sem erro até 50 Gb/s.

Em seguida, fabricamos o dispositivo VCSEL e comparamos o resultado de simulação e dados de teste reais; em seguida, fabricamos o dispositivo VCSEL. Na Fig. 6, o fator D do VCSEL C (real) foi 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 pequeno sinal medida a 25 °C e 85 °C. Como podemos ver, a largura de banda de 3-dB da medição é 29.3 e 24.6 GHz a 25 °C e 85 °C, respectivamente. No caso do dispositivo real, foi um pouco menor que o caso de simulação VCSEL C. A diferença pode vir do efeito térmico e limitação parasita devido à fabricação do dispositivo, como mencionamos anteriormente. Comparado com resultados de outros, nossa simulação está mais próxima de nossos próprios experimentos [21,22,23]. Isso aponta que nosso resultado de simulação VCSEL pode ser aplicado para o laser de alta velocidade.

Conclusões

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

Disponibilidade de Dados e Materiais

No trabalho atual, os dados e análises estão disponíveis a partir dos autores correspondentes mediante solicitação razoável.

Abreviações

EIM:

Método de índice efetivo

MQW:

Poço quântico múltiplo

PICS3D:

Simulador de Circuito Fotônico Integrado em 3D

QWs:

Poços quânticos

DBR

Refletor de Bragg distribuído

VCSELs:

Lasers de emissão superficial de cavidade vertical