Conception, modélisation et fabrication de VCSEL 850 nm atteignant 50 Gb/s

Résumé

Nous avons étudié les caractéristiques de réponse en fréquence à 850 nm de lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) GaAs haute vitesse avec différentes tailles d'ouverture d'oxyde et longueurs de cavité en utilisant le programme de simulation PICS3D. En utilisant des tailles d'ouverture d'oxyde de 5 µm, la réponse en fréquence peut être améliorée de 18,4 GHz et 15,5 GHz à 21,2 GHz et 19 GHz au maximum de 3 dB à 25 °C et 85 °C, respectivement. Les résultats de simulation numérique suggèrent également que les performances de réponse en fréquence s'améliorent de 21,2 GHz et 19 GHz à 30,5 GHz et 24,5 GHz au maximum de 3 dB à 25 °C et 85 °C grâce à la réduction de la longueur de cavité de 3λ/2 à λ/2. Par conséquent, les dispositifs VCSEL haute vitesse ont été fabriqués sur une structure modifiée et ont exhibé un débit de données de 50 Gb/s à 85 °C.

Introduction

Dans quelques années, les diodes laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) sont devenues des émetteurs favoris pour les liaisons de données optiques [1, 2]. Pendant ce temps, les dispositifs VCSEL GaAs présentent des avantages comme un courant de seuil faible, une consommation d'énergie faible, un angle de divergence petit, ainsi qu'une illumination par le côté supérieur facilitant la fabrication de réseaux. Sa demande a crû rapidement avec d'énormes exigences pour l'Internet 5G, la détection 3D, le LiDAR, les photodétecteurs haute vitesse, etc. [3-14].

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) est un simulateur 3D à la pointe pour diodes laser et dispositifs photoniques actifs connexes. PICS3D est un solveur numérique 3D complet offrant un traitement rigoureux et auto-cohérent des propriétés thermiques, électriques et optiques en résolvant les équations connexes basées sur la méthode de Newton-Raphson non-linéaire. Son objectif principal est de fournir un simulateur 3D pour diodes laser à émission de bord et de surface. Il a également été étendu pour inclure des modèles pour d'autres composants intégrés ou liés à l'émetteur laser. Dans cette étude, nous avons simulé des VCSEL GaAs ; bien sûr, il s'étend facilement aux VCSEL GaN, DEL, etc. [15, 16].

Le premier processus d'oxydation dans les matériaux composants III-V a été découvert à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign par Dallesasse et Holonyak en 1989 [17]. Par un processus d'oxydation, les dispositifs VCSEL peuvent réduire la taille du diamètre d'ouverture d'oxyde. Ainsi, cela peut non seulement promouvoir un fonctionnement en mode transverse unique mais aussi un fonctionnement haute vitesse et une performance mono-mode.

Pour atteindre une large bande passante de modulation, la plupart des concepteurs chercheraient un grand facteur D et un facteur K raisonnablement bas, typiquement un gain différentiel élevé en utilisant des puits quantiques (PQ) sous contrainte. Une durée de vie de photon faible en accordant la phase du réflecteur de Bragg distribué (DBR) supérieur [18], un facteur de confinement élevé en employant une cavité courte, et une petite ouverture d'oxyde de cavité sont nécessaires. D'autre part, la réduction des parasitages électriques peut aussi améliorer la vitesse de modulation. Ceux-ci incluent la capacitance parasitaire des plots de liaison, de la jonction diode intrinsèque, et de la zone hors ouverture sous les plots de contact métallique qui connectent les DBR, couches d'oxydation, etc., et incluent aussi la résistance parasitaire des DBR, résistance de jonction. Cependant, la résistance parasitaire n'est pas meilleure aussi basse que possible ; elle doit correspondre à l'impédance 50 Ohm. Concernant le développement de dispositifs VCSEL haute vitesse pour la communication de données, plusieurs articles enregistrent les progrès [19, 20]. Aujourd'hui, les dispositifs VCSEL 50 Gb/s 850 nm à la pointe de l'art ont été démontrés avec succès à l'Université de technologie de Chalmers (CUT) par Westbergh et al. et à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign (UIUC) par Feng et al. [21,22,23]. Nous avons comparé nos résultats d'expériences dans cette étude avec d'autres laboratoires, et nos données sont très proches de leurs résultats.

Cependant, la façon la plus efficace d'augmenter le gain différentiel est l'utilisation de puits quantiques multiples (PQM) sous contrainte, comme remplacer les PQM GaAs/AlGaAs par des PQM InGaAs/AlGaAs [24, 25]. Dans le matériau à base de GaAs, la masse effective des trous est beaucoup plus grande que la masse effective des électrons, ce qui cause la séparation du quasi-niveau de Fermi vers la bande de valence [26]. Donc, si nous implémentons la contrainte sur une couche active, la masse effective des trous peut être réduite significativement car la séparation du quasi-niveau de Fermi devient plus équilibrée entre les bandes de conduction et de valence. Le gain différentiel peut être considéré comme la croissance du gain avec la densité de porteurs une fois que la séparation du quasi-niveau de Fermi devient plus symétrique, et en même temps, le gain différentiel deviendra plus compressif dans les PQM sous contrainte. De plus, la contrainte libérera aussi l'effet de mélange de bande de valence en augmentant la différence d'énergie entre la bande de trous lourds et la bande de trous légers. Dans cette étude, la simulation numérique a été optimisée pour la structure de dispositif VCSEL via le logiciel Crosslight PICS3D [27].

Méthodes/expérimental

La Figure 1 montre le schématique du dispositif VCSEL GaAs 850 nm pour la structure de simulation dans cette étude. Pour ce VCSEL à oxyde, la structure de couche épitaxiale du bas vers le haut inclut un substrat GaAs, DBR-n de 34 paires de Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As, une couche active PQM InGaAs avec cinq PQ In_0.08Ga_0.92As sous contrainte séparés par six couches barrière quantique Al_0.37Ga_0.63As, DBR-p, et un GaAs p-type fortement dopé comme couche de contact. Cependant, les couches DBR-p incluent deux couches d'oxydation Al_0.98Ga_0.02As et quatre couches d'oxydation Al_0.96Ga_0.04As et 13 paires de couches Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.12Ga_0.88As. Il y a deux types de tailles d'ouverture d'oxyde, 5 µm et 7 µm dans notre design. Les deux couches d'oxydation Al_0.98Ga_0.02As obtiendraient une confinement d'ouverture pour les fonctions électriques et optiques, et les quatre couches Al_0.96Ga_0.04As réduiraient la capacitance parasitaire et amélioreraient davantage la réponse optique. Ainsi, nous calculons le potentiel électrique et la distribution de charge via l'équation de Poisson, calculons le transport de porteurs depuis les équations de continuité du courant, utilisons l'approximation de la méthode d'indice effectif (EIM) qui a été appliquée avec succès pour calculer diverses structures VCSEL, et utilisons la méthode de matrice de transfert dans le calcul de la cavité laser équivalente. Dans cette étude, appliqué pour effectuer nos simulations VCSEL étaient les modules VCSEL dans le logiciel Crosslight PICS3D qui inclut les effets quantiques mécaniques, électriques, thermiques et optiques de cavité DBR, avec une interaction auto-cohérente plus forte que tout autre dispositif optoélectronique qui a été appliqué pour effectuer nos simulations VCSEL. Considérant que la structure VCSEL simulée est symétrique, un système de coordonnées cylindriques, au lieu du système de coordonnées cartésiennes, a été utilisé pour économiser du temps de simulation. La formule d'itération de Newton sophistiquée a été utilisée dans le logiciel pour assurer que les bonnes réponses soient trouvées dans les équations non-linéaires du module VCSEL. Dans ce rapport, nous avons particulièrement considéré différents types de tailles d'ouverture d'oxyde et longueurs de cavité pour améliorer la performance du dispositif VCSEL. Les VCSEL A et B sont conçus pour des ouvertures d'oxyde de 7 µm et 5 µm avec une longueur de cavité 3λ/2, respectivement. D'autre part, le VCSEL C adopte le design d'ouverture d'oxyde 5 µm avec une longueur de cavité λ/2.

Résultats et Discussion

Dans les VCSEL A et B, leurs longueurs de cavité sont 3λ/2 mais ont des diamètres d'ouverture d'oxyde différents 7 µm (VCSEL A) et 5 µm (VCSEL B), respectivement. Des résultats de simulation, les courbes L-I sont dépeintes Fig. 2 a et b. Nous voyons le courant de seuil du VCSEL B (I_th 0,6 mA et 0,73 mA) est toujours inférieur au VCSEL A (I_th 0,82 mA et 0,94 mA) à 25 °C et 85 °C, respectivement. Évidemment, le I_th devient plus grand avec l'augmentation de la taille d'ouverture d'oxyde. Pour atteindre le plus petit volume de mode possible dans la direction verticale et augmenter le facteur D, une cavité optiquement épaisse λ/2 courte est utilisée et fixée à l'ouverture d'oxyde 5 µm dans le VCSEL C. De la courbe L-I, nous voyons le courant de seuil du VCSEL C (I_th 0,55 mA et 0,67 mA) sont toujours inférieurs au VCSEL B (I_th 0,6 mA et 0,73 mA) à 25 °C et 85 °C, respectivement, comme montré Fig. 3 a. Dans les données d'expérience du VCSEL C (réel), les courbes L-I-V sont montrées Fig. 3 b, le I_th du VCSEL C (réel) sont 0,8 mA et 1,08 mA à 25 °C et 85 °C, respectivement. Dans le cas réel, parce que l'effet thermique peut induire la différence de I_th entre le cas réel et la simulation, des résultats peuvent être attendus.

Selon la fréquence de résonance (f_r) et la fonction de taux d'amortissement,

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

où D est le facteur D, I est le courant, I_th est le courant de seuil, η_i est l'efficacité quantique interne, Г est le facteur de confinement optique, V_g est la vitesse de groupe, q est la charge élémentaire, V_a est le volume de la région active (gain), \( \frac{\partial g}{\partial n} \) est le gain différentiel, γ est le facteur d'amortissement, K est le facteur K, γ_o est le décalage du facteur d'amortissement, τ_p est la durée de vie du photon, et ε est le facteur de compression de gain [28].

Ainsi, nous pouvons améliorer la réponse en fréquence des performances du dispositif en réduisant la durée de vie du photon et le volume effectif du résonateur et en augmentant le gain différentiel. Basé sur ces considérations, nous utilisons les mêmes paramètres pour la section suivante pour améliorer la réponse optique. La Figure 4 a-d montre la réponse de modulation petit signal du VCSEL A et VCSEL B à 25 °C et 85 °C. Du résultat de simulation de réponse optique haute vitesse, il a une bonne bande passante 3-dB de 18,4 GHz et 15,5 GHz (VCSEL A) à 21,2 GHz et 19 GHz (VCSEL B) et cela indique aussi que la bande passante 3-dB a été améliorée d'environ 15,2% et 22,5%, respectivement. Ainsi, attribué au facteur de confinement croissant, les dispositifs VCSEL ont le courant de seuil plus bas dans l'émission et la meilleure bande passante dans VCSEL peut être attribuée au facteur de confinement augmenté en utilisant une taille d'ouverture d'oxyde plus petite.

Dans le cas suivant, nous gardons l'ouverture d'oxyde 5 µm et raccourcissons la longueur de cavité à λ/2. La Figure 5 a et b montre la réponse de modulation petit signal du VCSEL C à 25 °C et 85 °C. Du résultat de simulation de réponse optique haute vitesse, il a une bonne bande passante 3-dB de 21,2 GHz et 19 GHz (VCSEL B) à 30,5 GHz et 24,5 GHz (VCSEL C) et cela indique aussi que la bande passante 3-dB a été améliorée d'environ 43,9% et 28,9%, respectivement. Ainsi, les deux résultats de simulation montrent que les dispositifs VCSEL qui ont le courant de seuil plus bas et la bande passante plus large attribués au facteur de confinement croissant en utilisant une longueur de cavité plus courte.

La Figure 6 montre f3dB simulé versus la racine carrée de (I − I_th). La pente de ces points de données peut être exprimée comme

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

Le facteur D est un paramètre important qui est lié à l'efficacité quantique interne et au gain différentiel des puits quantiques pour VCSEL opérant à haute vitesse [29]. Ainsi, le facteur D était 6,9, 7,3 et 11 GHz/mA^1/2 à 25 °C pour les dispositifs VCSEL A, B et C, respectivement. D'autre part, le facteur D était 6,0, 6,7 et 9,4 GHz/mA^1/2 à 85 °C pour les dispositifs VCSEL A, B et C, respectivement. De nos résultats, le facteur D est inversément proportionnel au diamètre d'ouverture d'oxyde et à la longueur de cavité. Et le facteur D plus grand sera avec un courant de seuil plus petit. De plus, les VCSEL avec des diamètres d'ouverture d'oxyde plus petits (5 µm) et une longueur de cavité plus courte (λ/2) sont particulièrement bien adaptés pour la transmission de données à faible énergie par bit [30,31,32]. Nous attendons que le VCSEL puisse atteindre un taux de fonctionnement sans erreur jusqu'à 50 Gb/s.

Ensuite, nous avons fabriqué le dispositif VCSEL et comparé le résultat de simulation et les données de test réel ; ensuite, nous avons fabriqué le dispositif VCSEL. Dans Fig. 6, le facteur D du VCSEL C (réel) était 8,5 et 8,3 GHz/mA^1/2 à 25 °C et 85 °C, respectivement. La Figure 7 montre la réponse de modulation petit signal mesurée à 25 °C et 85 °C. Comme nous voyons, la bande passante 3-dB de mesure est 29,3 et 24,6 GHz à 25 °C et 85 °C, respectivement. Dans le cas de dispositif réel, c'était un peu plus bas que le cas de simulation VCSEL C. La différence peut venir de l'effet thermique et de la limitation parasitaire due à la fabrication du dispositif, comme nous l'avons mentionné plus tôt. Comparé avec les résultats des autres, notre simulation est plus proche de nos propres expériences [21,22,23]. Cela souligne que notre résultat de simulation VCSEL peut être appliqué pour le laser haute vitesse.

Conclusions

En conclusion, nous avons optimisé l'ouverture d'oxyde et la longueur de cavité de la structure VCSEL par le programme de simulation PICS3D. En se référant à ces résultats, nous avons fabriqué des dispositifs VCSEL 50 Gb/s. Les résultats ont montré une diminution du courant de seuil et une amélioration de la bande passante 3-dB dans les dispositifs VCSEL. Finalement, les dispositifs VCSEL haute vitesse (jusqu'à 50 Gb/s débit de données à 85 °C) ont été démontrés et réussi à créer un modèle PICS3D pour la conception de dispositif VCSEL 50 Gb/s.