데이터 속도가 최대 50Gb/s인 고속 VCSEL의 설계, 모델링 및 제작

초록

우리는 PICS3D 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 다양한 종류의 산화물 개구 크기와 캐비티 길이를 갖는 850nm GaAs 고속 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL)에서의 주파수 응답 특성을 연구했습니다. 5μm 산화물 개구 크기를 사용하여 주파수 응답 동작은 각각 25 °C 및 85 °C에서 최대 3 dB에서 18.4 GHz 및 15.5 GHz에서 21.2 GHz 및 19 GHz로 향상될 수 있습니다. 수치 시뮬레이션 결과는 또한 3λ/2에서 λ로의 공동 길이 감소로 인해 25 °C 및 85 °C에서 최대 3 dB에서 주파수 응답 성능이 21.2 GHz 및 19 GHz에서 30.5 GHz 및 24.5 GHz로 향상되었음을 시사합니다. /2. 결과적으로 고속 VCSEL 장치는 수정된 구조로 제작되었으며 85 °C에서 50-Gb/s 데이터 속도를 나타냈습니다.

소개

몇 년 동안 수직 공동 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)는 광 데이터 링크용으로 선호되는 송신기가 되었습니다[1, 2]. 한편, GaAs VCSEL 장치는 낮은 임계 전류, 전력 소비, 작은 발산각과 같은 몇 가지 장점과 어레이를 쉽게 만들 수 있는 상부 조명이 있습니다. 5G 인터넷, 3D 센싱, LiDAR, 고속 광검출기 등에 대한 엄청난 요구 사항과 함께 수요가 빠르게 증가했습니다. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] .

PICS3D(Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D)는 레이저 다이오드 및 관련 능동 광소자를 위한 최첨단 3D 시뮬레이터입니다. PISC3D는 비선형 Newton-Raphson 방법을 기반으로 관련 방정식을 풀어 열, 전기 및 광학 특성에 대해 엄격하고 일관된 처리를 제공하는 3D 종합 수치 솔버입니다. 주요 목표는 에지 및 표면 발광 레이저 다이오드용 3D 시뮬레이터를 제공하는 것입니다. 또한 레이저 이미터와 통합되거나 관련된 다른 구성 요소에 대한 모델을 포함하도록 확장되었습니다. 이 연구에서 우리는 GaAs VCSEL을 시뮬레이션했습니다. 물론 GaN VCSEL, LED 등으로 쉽게 확장되었습니다. [15, 16].

III-V 화합물 재료의 첫 번째 산화 과정은 1989년 Dallesasse와 Holonyak에 의해 일리노이 대학교 어바나 샴페인에서 발견되었습니다[17]. 산화 공정을 통해 VCSEL 장치는 산화물 개구 직경의 크기를 좁힐 수 있습니다. 따라서 단일 가로 모드 작동뿐만 아니라 고속 작동 및 단일 모드 성능을 촉진할 수 있습니다.

높은 변조 대역폭을 달성하기 위해 대부분의 설계자는 큰 D 계수와 합리적인 낮은 K 계수, 일반적으로 변형 QW를 사용하여 높은 차동 이득을 추구합니다. 상부 분포 브래그 반사기(DBR)의 위상을 조정하여 낮은 광자 수명, 짧은 공동을 사용하여 높은 구속 계수 및 작은 공동 산화물이 필요합니다. 반면에 전기적 기생을 줄이면 변조 속도도 향상될 수 있습니다. 여기에는 본드 패드의 기생 커패시턴스, 진성 다이오드 접합, DBR, 산화층 등을 연결하는 금속 접촉 패드 아래의 구멍 밖 영역이 포함되며 DBR의 기생 저항, 접합 저항도 포함됩니다. 그러나 기생 저항은 가능한 한 낮지 않습니다. 50옴 임피던스와 일치해야 합니다. 데이터 통신을 위한 고속 VCSEL 장치 개발과 관련하여 진행 상황을 기록한 여러 논문이 있습니다[19, 20]. 오늘날 Westbergh 등은 Chalmers University of Technology(CUT)에서 최첨단 50Gb/s 850nm VCSEL 장치를 성공적으로 시연했습니다. 및 Feng et al.의 일리노이 대학교 어바나 샴페인(UIUC). [21,22,23]. 우리는 이 연구에서 우리의 실험 결과를 다른 실험실과 비교했으며 우리의 데이터는 결과에 훨씬 가깝습니다.

그러나 미분 이득을 증가시키는 가장 효과적인 방법은 GaAs/AlGaAs MQW를 InGaAs/AlGaAs MQW로 대체하는 것과 같이 변형 다중 양자 우물(MQW)을 사용하는 것입니다[24, 25]. GaAs 기반 물질에서 정공 유효 질량은 전자 유효 질량보다 훨씬 커서 준 페르미 준위가 가전자대 쪽으로 분리되게 합니다[26]. 따라서 활성층에 변형을 구현하면 준 페르미 준위의 분리가 전도대와 가전자대 사이에서 더 균형을 이루기 때문에 유효 정공 질량을 크게 줄일 수 있습니다. 차동 이득은 준 페르미 준위 분리가 더 대칭이 되면 캐리어 밀도에 따른 이득의 증가로 간주될 수 있으며, 한편, 미분 이득은 변형된 MQW에서 더 압축적이 됩니다. 또한, 변형은 무거운 구멍과 가벼운 구멍 밴드 사이의 에너지 차이를 증가시켜 가전자대 혼합 효과도 해제합니다. 본 연구에서는 Crosslight PICS3D 소프트웨어[27]를 통해 수치 시뮬레이션을 VCSEL 소자 구조에 최적화하였다.

방법/실험

그림 1은 이 연구에서 시뮬레이션 구조를 위한 850nm GaAs VCSEL 소자의 개략도를 보여준다. 이 산화물 VCSEL의 경우 아래에서 위로 에피택셜 층 구조는 GaAs 기판, Al_0.9 34쌍의 n-DBR을 포함합니다. Ga_0.1 As/Al_0.12 Ga_0.88 As, 5개의 In_0.08이 있는 InGaAs MQW 활성 레이어 Ga_0.92 6개의 Al_0.37로 구분된 변형된 QW Ga_0.63 양자 장벽 층으로서, p-DBR, 및 접촉 층으로서 고농도로 도핑된 p-GaAs. 그러나 p-DBR 레이어에는 두 개의 Al_0.98이 포함됩니다. Ga_0.02 산화층 및 4개의 Al_0.96으로 Ga_0.04 산화층으로 Al_0.9 13쌍 Ga_0.1 As/Al_0.12 Ga_0.88 레이어로. 우리 디자인에는 5 μm와 7 μm의 두 가지 종류의 산화물 구멍 크기가 있습니다. 두 개의 Al_0.98 Ga_0.02 산화 층이 전기적 및 광학적 기능을 위한 조리개 제한을 갖게 되므로 4개의 Al_0.96 Ga_0.04 레이어가 기생 커패시턴스를 줄이고 광학 응답을 더욱 향상시키기 때문입니다. 따라서 Poisson의 방정식을 통해 전위 및 전하 분포를 계산하고 전류 연속 방정식에서 캐리어 전송을 계산하며 다양한 VCSEL 구조 계산에 성공적으로 적용된 EIM(Effective Index Method) 근사를 사용하고 Transfer-matrix 방법을 활용합니다. 등가 레이저 캐비티 계산. 이 연구에서 VCSEL 시뮬레이션을 수행하기 위해 적용된 것은 양자 역학, 전기, 열 및 DBR 공동 광학 효과를 포함하는 Crosslight PICS3D 소프트웨어의 VCSEL 모듈이었습니다. VCSEL 시뮬레이션. 시뮬레이션된 VCSEL 구조가 대칭적이라는 점을 고려하여 시뮬레이션 시간을 절약하기 위해 데카르트 좌표계 대신 원통형 좌표계를 사용하였다. 정교한 Newton 반복 공식은 VCSEL 모듈의 비선형 방정식에서 올바른 답을 찾을 수 있도록 소프트웨어에서 활용되었습니다. 이 보고서에서 우리는 특히 VCSEL 장치 성능을 개선하기 위해 다양한 종류의 산화물 개구 크기와 공동 길이를 고려했습니다. VCSEL A 및 B는 각각 3λ/2 캐비티 길이의 7μm 및 5μm 산화물 개구용으로 설계되었습니다. 반면 VCSEL C는 λ/2 캐비티 길이의 5μm 산화물 조리개 설계를 채택했습니다.

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상부 발광 850nm VCSEL의 개략도

결과 및 토론

VCSEL A와 B에서 그들의 공동 길이는 3λ/2이지만 산화물 개구 직경은 각각 7 μm(VCSEL A) 및 5 μm(VCSEL B)가 다릅니다. 시뮬레이션 결과에서 L-I 곡선은 그림 2a 및 b에 표시됩니다. VCSEL B의 임계값 전류를 볼 수 있습니다(I _번째 0.6 mA 및 0.73 mA)는 항상 VCSEL A(I _번째 25 °C 및 85 °C에서 각각 0.82 mA 및 0.94 mA). 분명히, 나 _번째 산화물 개구 크기가 증가함에 따라 더 커집니다. 수직 방향에서 가능한 가장 작은 모드 볼륨을 달성하고 D-인자를 증가시키기 위해 짧은 λ/2 광학적으로 두꺼운 공동이 사용된 다음 VCSEL C의 5μm 산화물 조리개에 고정됩니다. LI 곡선에서 다음을 수행할 수 있습니다. VCSEL C의 임계값 전류 참조(I _번째 0.55 mA 및 0.67 mA)는 항상 VCSEL B(I _번째 0.6 mA 및 0.73 mA) 각각 25 °C 및 85 °C에서 그림 3a와 같이 VCSEL C(실제)의 실험 데이터에서, L-I-V 곡선은 그림 3b에 나와 있으며, I _번째 VCSEL C(실제)의 값은 25 °C 및 85 °C에서 각각 0.8 mA 및 1.08 mA입니다. 실제의 경우 열 효과가 I의 차이를 유발할 수 있기 때문에 _번째 실제 사례와 시뮬레이션 간의 결과를 기대할 수 있습니다.

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a의 캐비티 길이가 3λ/2인 VCSEL 장치 시뮬레이션을 위한 광전류 특성 VCSEL A:25 °C 및 85 °C에서 7 μm 구경, b VCSEL B:25 °C 및 85 °C에서 5 μm 구경

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아 VCSEL C 시뮬레이션을 위한 광전류 특성:λ/2 공동 길이, 25 °C 및 85 °C에서 5 μm 구멍 직경. ㄴ 25 °C 및 85 °C에서 VCSEL C의 측정된 광전류-전압 특성

공진 주파수에 따라(fr ) 및 감쇠율 기능,

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

여기서 D D-인자, 나 현재, 나 _번째 임계 전류, η _나 내부 양자 효율, Г 는 광학 제한 계수, V _g 그룹 속도, q 기본 요금은 V입니다. _아 는 활성(이득) 영역의 부피, $ \frac{\partial g}{\partial n} $는 차동 이득, γ 감쇠 계수, K 는 K-인자, γ입니다. _오 감쇠 계수 오프셋, τ _p 는 광자 수명이고 ε 이득 압축 계수[28]입니다.

따라서 광자의 수명과 공진기의 유효 부피를 줄이고 차동 이득을 증가시켜 장치 성능의 주파수 응답을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 고려 사항을 기반으로 다음 섹션에 동일한 매개변수를 사용하여 광학 응답을 개선합니다. 그림 4a-d는 25 °C 및 85 °C에서 VCSEL A 및 VCSEL B의 소신호 변조 응답을 보여줍니다. 고속 광응답 시뮬레이션 결과 18.4 GHz 및 15.5 G Hz(VCSEL A)에서 21.2 GHz 및 19 GHz(VCSEL B)까지 3dB 대역폭이 양호하며 3dB 대역폭이 각각 약 15.2% 및 22.5% 향상되었습니다. 따라서 증가하는 제한 인자로 인해 VCSEL 장치는 방출에서 더 낮은 임계 전류를 가지며 VCSEL의 배터리 대역폭은 더 작은 산화물 개구 크기를 사용하여 증가된 제한 인자에 기인할 수 있습니다.

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캐비티 길이가 3λ/2인 VCSEL 장치에 대한 소신호 변조 응답 시뮬레이션. 따라서 VCSEL A 및 B는 a에서 VCSEL A에 대해 각각 7 μm 및 5 μm 구경 직경을 갖습니다. 25 °C 및 b 85 °C, VCSEL B의 경우 c 25 °C 및 d 85 °C.

다음 경우에는 5μm 산화물 조리개를 유지하고 캐비티 길이를 λ/2로 줄입니다. 그림 5a 및 b는 25 °C 및 85 °C에서 VCSEL C의 소신호 변조 응답을 보여줍니다. 고속 광응답 시뮬레이션 결과 21.2 GHz 및 19 GHz(VCSEL B)에서 30.5 GHz 및 24.5 GHz(VCSEL C)까지 3dB 대역폭이 양호하며 3dB 대역폭이 향상되었음을 나타냅니다. 각각 약 43.9% 및 28.9% 증가했습니다. 따라서 두 시뮬레이션 결과 모두 짧은 캐비티 길이를 사용하여 증가하는 구속 요인에 기인하는 더 낮은 임계 전류와 더 큰 대역폭을 갖는 VCSEL 장치를 보여줍니다.

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VCSEL C에 대한 소신호 변조 응답 시뮬레이션:λ/2 공동 길이, a에서 5 μm 구경 직경 25 °C 및 b 85 °C

그림 6은 시뮬레이션된 f3dB 대 (I − 나 _번째 ). 이러한 데이터 포인트의 기울기는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

$$ {\mathrm{f}}_{3\mathrm{dB}}=D\times \sqrt{I-{I}_{\mathrm{th}}} $$ (3) <그림><소스 유형 ="image/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-019-3107-7/MediaObjects/11671_2019_3107_Fig6_HTML.png?as?

3dB 주파수 대 (I -나 _번째 ) VCSEL A에 대한 시뮬레이션,

VCSEL B, VCSEL C, VCSEL C(실수) at a 25 °C 및 b 85 °C

D-factor는 내부 양자 효율 및 고속에서 작동하는 VCSEL에 대한 양자 우물의 차등 이득과 관련된 중요한 매개변수입니다[29]. 따라서 D 계수는 6.9, 7.3 및 11 GHz/mA^1/2 였습니다. VCSEL A, B 및 C 장치에 대해 각각 25 °C에서. 반면 D-factor는 6.0, 6.7 및 9.4 GHz/mA^1/2 였습니다. VCSEL A, B 및 C 장치에 대해 각각 85 °C에서. 우리의 결과에서 D-인자는 산화물 개구 직경과 공동 길이에 반비례합니다. 그리고 더 큰 D 인자는 더 작은 임계 전류와 함께 할 것입니다. 게다가, 더 작은 산화물 개구 직경(5 μm)과 더 짧은 캐비티 길이(λ/2)를 가진 VCSEL은 비트당 낮은 에너지로 데이터 전송에 특히 적합합니다[30,31,32]. VCSEL은 최대 50Gb/s의 오류 없는 작동 속도를 달성할 수 있을 것으로 기대합니다.

다음으로, 우리는 VCSEL 장치를 제작하고 시뮬레이션 결과와 실제 테스트 데이터를 비교했습니다. 다음으로 우리는 VCSEL 장치를 제작했습니다. 그림 6에서 VCSEL C(실제)의 D 계수는 8.5 및 8.3 GHz/mA^1/2 였습니다. 각각 25 °C 및 85 °C에서. 그림 7은 25 °C 및 85 °C에서 측정된 소신호 변조 응답을 보여줍니다. 보시다시피, 3dB 측정 대역폭은 25 °C 및 85 °C에서 각각 29.3 및 24.6 GHz입니다. 실제 장치의 경우 시뮬레이션의 경우 VCSEL C보다 약간 낮습니다. 차이는 앞에서 언급한 것처럼 장치 제작으로 인한 열 효과 및 기생 제한에서 비롯될 수 있습니다. 다른 사람들의 결과와 비교할 때 우리의 시뮬레이션은 우리 자신의 실험에 더 가깝습니다[21,22,23]. 이것은 우리의 VCSEL 시뮬레이션 결과가 고속 레이저에 적용될 수 있음을 지적합니다.

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VCSEL C에 대해 측정된 소신호 변조 응답(실제):λ/2 캐비티 길이, a에서 5 μm 구경 직경 25 °C 및 b 85 °C

결론

결론적으로, 우리는 PICS3D 시뮬레이션 프로그램에 의해 VCSEL 구조의 산화물 개구와 캐비티 길이를 최적화했습니다. 이러한 결과를 참고하여 50Gb/s VCSEL 소자를 제작하였다. 결과는 VCSEL 장치에서 임계 전류의 감소와 3dB 대역폭의 개선을 보여주었습니다. 마지막으로 고속 VCSEL 장치(85 °C에서 최대 50Gb/s 데이터 속도)가 시연되었으며 50Gb/s VCSEL 장치 설계를 위한 PICS3D 모델을 성공적으로 생성했습니다.