Conception, modélisation et fabrication de VCSEL haut débit avec un débit de données jusqu'à 50 Gb/s

Résumé

Nous avons étudié les caractéristiques de la réponse en fréquence à des lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) à grande vitesse GaAs à 850 nm avec différents types de tailles d'ouverture d'oxyde et de longueur de cavité à l'aide du programme de simulation PICS3D. En utilisant des tailles d'ouverture d'oxyde de 5 m, le comportement de réponse en fréquence peut être amélioré de 18,4 GHz et 15,5 GHz à 21,2 GHz et 19 GHz dans un maximum de 3 dB à 25 °C et 85 °C, respectivement. Les résultats de la simulation numérique suggèrent également que les performances de réponse en fréquence se sont améliorées de 21,2 GHz et 19 GHz à 30,5 GHz et 24,5 GHz dans un maximum de 3 dB à 25 °C et 85 °C en raison de la réduction de la longueur de la cavité de 3λ/2 à λ /2. Par conséquent, les dispositifs VCSEL à grande vitesse ont été fabriqués sur une structure modifiée et ont présenté un débit de données de 50 Gb/s à 85 °C.

Introduction

En quelques années, les diodes laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) sont devenues les émetteurs préférés des liaisons optiques de données [1, 2]. Pendant ce temps, les dispositifs GaAs VCSEL présentent certains avantages, tels qu'un faible courant de seuil, une consommation d'énergie et un petit angle de divergence, ainsi qu'un éclairage latéral supérieur permettant de créer facilement un réseau. Sa demande a augmenté rapidement avec d'énormes besoins en Internet 5G, détection 3D, LiDAR, photodétecteurs à grande vitesse, etc. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] .

PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) est un simulateur 3D de pointe pour les diodes laser et les dispositifs photoniques actifs associés. PISC3D est un solveur numérique 3D complet offrant un traitement rigoureux et cohérent des propriétés thermiques, électriques et optiques en résolvant les équations associées sur la base de la méthode non linéaire de Newton-Raphson. Son objectif principal est de fournir un simulateur 3D pour les diodes laser à émission par les bords et la 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 GaAs VCSEL; bien sûr, il s'est également étendu facilement au GaN VCSEL, LED, etc. [15, 16].

Le premier processus d'oxydation dans le matériau composé III-V a été découvert à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign par Dallesasse et Holonyak en 1989 [17]. Grâce à un processus d'oxydation, les dispositifs VCSEL peuvent réduire la taille du diamètre de l'ouverture de l'oxyde. Ainsi, il peut non seulement favoriser un fonctionnement monomode transverse, mais également un fonctionnement à grande vitesse et des performances monomodes.

Pour obtenir une bande passante de modulation élevée, la plupart des concepteurs rechercheraient un facteur D important et un facteur K raisonnablement bas, généralement un gain différentiel élevé en utilisant des QW de contrainte. Une faible durée de vie des photons en réglant la phase du réflecteur de Bragg distribué supérieur (DBR) [18], un facteur de confinement élevé en utilisant une cavité courte et un oxyde de petite cavité sont nécessaires. D'autre part, la réduction des parasites électriques peut également améliorer la vitesse de modulation. Ceux-ci incluent la capacité parasite des plots de connexion, la jonction de diode intrinsèque et la zone d'ouverture sous les plots de contact métalliques qui connecte les DBR, les couches d'oxydation, etc., et incluent également la résistance parasite des DBR, la résistance de jonction. Cependant, la résistance parasitaire n'est pas mieux aussi faible que possible; il doit correspondre à une impédance de 50 ohms. En ce qui concerne le développement de dispositifs VCSEL à grande vitesse pour la communication de données, plusieurs articles enregistrent les progrès [19, 20]. Aujourd'hui, les dispositifs VCSEL de pointe à 50 Gb/s 850 nm ont été démontrés avec succès à l'Université de technologie de Chalmers (CUT) par Westbergh et al. et University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) par Feng et al. [21,22,23]. Nous avons comparé les résultats de nos expériences dans cette étude avec d'autres laboratoires, et nos données sont très proches de leurs résultats.

Cependant, le moyen le plus efficace d'augmenter le gain différentiel est l'utilisation de puits quantiques multiples (MQW), comme le remplacement du GaAs/AlGaAs MQW par le InGaAs/AlGaAs MQW [24, 25]. Dans le matériau à base de GaAs, la masse effective du trou est beaucoup plus grande que la masse effective des électrons, ce qui provoque la séparation du niveau de quasi-Fermi vers la bande de cantonnière [26]. Par conséquent, si nous appliquons la contrainte sur une couche active, la masse effective du trou peut être réduite de manière significative car la séparation du niveau de quasi-Fermi est plus équilibrée entre la bande de conduction et la cantonnière. Le gain différentiel peut être considéré comme la croissance du gain avec la densité de porteurs une fois que la séparation de niveau quasi-Fermi devient plus symétrique, et dans l'intervalle, le gain différentiel deviendra plus compressif dans le MQW contraint. De plus, la contrainte libérera également l'effet de mélange de la bande de cantonnière en augmentant la différence d'énergie entre la bande de trou lourd et la bande de trou léger. Dans cette étude, la simulation numérique a été optimisée pour la structure du dispositif VCSEL via le logiciel Crosslight PICS3D [27].

Méthodes/expérimental

La figure 1 montre le schéma du dispositif VCSEL GaAs 850 nm pour la structure de simulation dans cette étude. Pour cet oxyde VCSEL, la structure de couche épitaxiale de bas en haut comprend un substrat GaAs, n-DBR de 34 paires d'Al_0.9 Ga_0.1 As/Al_0.12 Ga_0.88 As, une couche active InGaAs MQW avec cinq In_0.08 Ga_0.92 QW as-tendus séparés par six Al_0.37 Ga_0.63 En tant que couches barrières quantiques, le p-DBR et un p-GaAs fortement dopé en tant que couche de contact. Cependant, les couches p-DBR incluent deux Al_0.98 Ga_0,02 Comme couches d'oxydation et quatre Al_0.96 Ga_0,04 Sous forme de couches d'oxydation et 13 paires d'Al_0.9 Ga_0.1 As/Al_0.12 Ga_0.88 En tant que couches. Il existe deux types de tailles d'ouverture d'oxyde, 5 μm et 7 μm dans notre conception. Les deux Al_0.98 Ga_0,02 Comme les couches d'oxydation obtiendraient un confinement d'ouverture pour les fonctions électriques et optiques, et les quatre Al_0.96 Ga_0,04 Les couches réduiraient la capacité parasite et amélioreraient encore la réponse optique. Ainsi, nous calculons le potentiel électrique et la distribution de charge via l'équation de Poisson, calculons le transport de porteurs à partir des équations de continuité de courant, utilisons l'approximation de la méthode de l'indice effectif (EIM) qui a été appliquée avec succès pour calculer diverses structures VCSEL et utilisons la méthode de la matrice de transfert dans le calcul de la cavité laser équivalente. Dans cette étude, les modules VCSEL du logiciel Crosslight PICS3D ont été appliqués pour effectuer nos simulations VCSEL, qui incluent des effets optiques de cavité mécanique, électrique, thermique et DBR, avec une interaction auto-cohérente plus forte que tout autre dispositif optoélectronique qui a été appliqué pour effectuer notre 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 gagner du temps de simulation. La formule d'itération sophistiquée de Newton a été utilisée dans le logiciel pour garantir que les réponses correctes se trouvent dans les équations non linéaires du module VCSEL. Dans ce rapport, nous avons particulièrement pris en compte différents types de tailles d'ouverture d'oxyde et de longueurs de cavité pour améliorer les performances 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 de 3λ/2, respectivement. D'autre part, le VCSEL C adopte la conception d'une ouverture d'oxyde de 5 μm avec une longueur de cavité λ/2.

Le schéma du VCSEL 850 nm émettant par le haut

Résultats et discussion

Dans les VCSEL A et B, leurs longueurs de cavité sont de 3λ/2 mais ont des diamètres d'ouverture d'oxyde différents de 7 μm (VCSEL A) et 5 μm (VCSEL B), respectivement. A partir des résultats de simulation, les courbes L-I sont représentées sur les Fig. 2 a et b. On peut voir le courant de seuil du VCSEL B (I _ème 0,6 mA et 0,73 mA) est toujours inférieur au VCSEL A (I _ème 0,82 mA et 0,94 mA) à 25 °C et 85 °C, respectivement. De toute évidence, le Je _ème devient plus grand avec l'augmentation de la taille de l'ouverture de l'oxyde. Pour obtenir le plus petit volume de mode possible dans la direction verticale et augmenter le facteur D, une courte cavité optiquement épaisse de λ/2 est utilisée puis fixée à l'ouverture d'oxyde de 5 µm dans le VCSEL C. À partir de la courbe LI, nous pouvons voir le courant de seuil du VCSEL C (I _ème 0.55 mA et 0.67 mA) sont toujours inférieurs au VCSEL B (I _ème 0,6 mA et 0,73 mA) à 25 °C et 85 °C, respectivement, comme le montre la Fig. 3 a. Dans les données expérimentales du VCSEL C (réel), les courbes L-I-V sont représentées sur la figure 3 b, le I _ème de VCSEL C (réel) sont de 0,8 mA et 1,08 mA à 25 °C et 85 °C, respectivement. Dans le cas réel, car l'effet thermique peut induire la différence de I _ème entre le cas réel et la simulation, des résultats peuvent être attendus.

Les caractéristiques de courant lumineux pour la simulation de dispositifs VCSEL avec une longueur de cavité 3λ/2 pour a VCSEL A :diamètre d'ouverture de 7 μm à 25 °C et à 85 °C, et b VCSEL B :diamètre d'ouverture de 5 μm à 25 °C et à 85 °C

un Les caractéristiques du courant lumineux pour la simulation du VCSEL C :longueur de cavité λ/2, diamètre d'ouverture 5 μm à 25 °C et 85 °C. b Les caractéristiques de courant lumineux et de tension mesurées du VCSEL C à 25 °C et 85 °C

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

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

où D est le facteur D, I est le courant, I _ème 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 _un est le volume de la région active (de 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. Sur la base de ces considérations, nous utilisons les mêmes paramètres pour la section suivante afin d'améliorer la réponse optique. La Figure 4 a–d montre la réponse de modulation en petits signaux du VCSEL A et du VCSEL B à 25 °C et 85 °C. D'après le résultat de la simulation de la réponse optique à grande vitesse, il a une bonne bande passante de 3 dB de 18,4 GHz et 15,5 G Hz (VCSEL A) à 21,2 GHz et 19 GHz (VCSEL B) et il indique également que la bande passante de 3 dB était augmenté d'environ 15,2 % et 22,5 %, respectivement. Ainsi, attribué au facteur de confinement croissant, les dispositifs VCSEL ont le courant de seuil inférieur dans l'émission et la bande passante de la batterie dans le VCSEL peut être attribuée au facteur de confinement augmenté en utilisant une taille d'ouverture d'oxyde plus petite.

Simulation de la réponse de modulation à petit signal pour les dispositifs VCSEL avec une longueur de cavité 3λ/2 ; ainsi, VCSEL A et B ont un diamètre d'ouverture de 7 μm et 5 μm, respectivement, pour VCSEL A à a 25°C et à b 85 °C, et pour VCSEL B à c 25 °C et à d 85 °C.

Dans le cas suivant, nous gardons l'ouverture d'oxyde de 5 µm et réduisons la longueur de la cavité à λ/2. La figure 5 a et b montre la réponse de modulation en petits signaux du VCSEL C à 25 °C et 85 °C. D'après le résultat de la simulation de la réponse optique à grande vitesse, il a une bonne bande passante de 3 dB de 21,2 GHz et 19 GHz (VCSEL B) à 30,5 GHz et 24,5 GHz (VCSEL C) et cela indique également que la bande passante de 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 inférieur et la plus grande bande passante sont attribués au facteur de confinement croissant en utilisant une longueur de cavité plus courte.

Simulation de la réponse de modulation en petits signaux pour le VCSEL C :longueur de cavité λ/2, diamètre d'ouverture de 5 μm à a 25°C et à b 85 °C

La figure 6 montre une simulation de f3dB par rapport à la racine carrée de (I − Je _ème ). La pente de ces points de données peut être exprimée sous la forme

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

La fréquence de 3 dB par rapport à la racine carrée de (I -Je _ème ) de la simulation pour le VCSEL A,

VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C (réel) à a 25 °C et b 85 °C

Le facteur D est un paramètre important lié à l'efficacité quantique interne et au gain différentiel des puits quantiques pour VCSEL fonctionnant à grande vitesse [29]. Ainsi, le facteur D était de 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 de 6,0, 6,7 et 9,4 GHz/mA^1/2 à 85 °C pour les dispositifs VCSEL A, B et C, respectivement. D'après nos résultats, le facteur D est inversement proportionnel au diamètre de l'ouverture de l'oxyde et à la longueur de la cavité. Et le plus grand facteur D sera accompagné d'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 à la transmission de données à faible énergie par bit [30,31,32]. Nous pensons que le VCSEL peut atteindre un taux de fonctionnement sans erreur jusqu'à 50 Gb/s.

Ensuite, nous avons fabriqué le dispositif VCSEL et comparé le résultat de la simulation et les données de test réelles ; ensuite, nous avons fabriqué le dispositif VCSEL. Sur la figure 6, le facteur D du VCSEL C (réel) était de 8,5 et 8,3 GHz/mA^1/2 à 25 °C et 85 °C, respectivement. La figure 7 montre la réponse de modulation mesurée en petits signaux à 25 °C et 85 °C. Comme on peut le voir, la bande passante de mesure à 3 dB est de 29,3 et 24,6 GHz à 25 °C et 85 °C, respectivement. Dans le cas réel de l'appareil, il était un peu inférieur au cas de simulation VCSEL C. La différence peut venir de l'effet thermique et de la limitation parasite dus à la fabrication de l'appareil, comme nous l'avons mentionné précédemment. Par rapport aux résultats des autres, notre simulation est plus proche de nos propres expériences [21,22,23]. Cela indique que notre résultat de simulation VCSEL peut être appliqué pour le laser à grande vitesse.

Réponse de modulation à petit signal mesurée pour VCSEL C (réel) :longueur de cavité λ/2, diamètre d'ouverture de 5 μm à a 25 °C et b 85 °C

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 à 50 Gb/s. Les résultats ont montré une diminution du courant de seuil et une amélioration de la bande passante de 3 dB dans les dispositifs VCSEL. Enfin, les appareils VCSEL à grande vitesse (jusqu'à 50 Gb/s de débit de données à 85 °C) ont été démontrés et ont réussi à créer un modèle PICS3D pour la conception d'appareils VCSEL à 50 Gb/s.