Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2522
Main Title: High speed VCSELs for optical interconnects
Translated Title: Ultraschnelle oberflächenemittierende Laser für optische Verbindungen
Author(s): Mutig, Alex
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Prognosen für die Geschwindigkeitsentwicklung der seriellen Datenübertragung in modernen Datenkommunikationssystemen sagen exponentiellen Anstieg voraus. Elektrische Übertragungsprotokolle für einkanalige Bitraten über 10 Gbit/s werden zurzeit für eine Anzahl von Anwendungen standardisiert. Die fundamentalen elektromagnetischen Begrenzungen der Kupferbasierten Anschlüsse bei diesen hohen Bitraten über 10 Gbit/s machen faserbasierte optische Datenkommunikationssysteme unverzichtbar und führen zum unaufhaltsamen und progressiven Eindringen der optischen Kommunikationssysteme in den traditionellen Markt der kupferbasierten Übertragungslinien. Diese Entwicklungen erweitern drastisch die Anwendungsgebiete der Oberflächenemittierenden Laser (VCSEL) und der VCSEL-Arrays als sehr kostengünstige, effiziente, zuverlässige, leicht anzufertigende und kompakte Laserlichtquellen für die nächsten Generationen der faserbasierten, freistrahl-, Boar-zu-Board-, Modul-zu-Modul-, Chip-zu-Chip- und auf-Chip-Informationssysteme und Netzwerke. Bereits heute sind oxidgeführte GaAs-basierte VCSEL, die bei 850 nm emittieren, Schlüsselkomponente für kostengünstige schnelle lokale und Speicher-Netzwerke (LAN/SAN). Auf dieser Standardwellenlänge wurde bei Raumtemperatur Datenübertragung mit der Bitrate von 32 Gbit/s in 2009 demonstriert. Während die Wellenlänge von 850 nm die Standardwellenlänge für LAN/SAN-Anwendungen ist, besitzen potentielle Konkurrenzstandards bei 980 nm viele kritische Vorteile für Datenübertragungssysteme mit sehr kurzen und ultra-kurzen Reichweiten. Das sind unter Anderem kleinere Arbeitsspannungen, die Durchsichtigkeit des GaAs Substrates und tiefere potentielle Barrieren, die die Reemissionsprozesse der injizierten Nichtgleichgewichtsladungsträger unterdrücken und die Temperaturstabilität der Laser erhöhen. Das letztere ist besonders wichtig für die Modul-zu-Modul-, Chip-zu-Chip- und auf-Chip-Links, weil sie in unmittelbarer Nähe zu oder direkt auf Chips platziert werden, wo erhöhte Temperaturen üblich sind. In dieser Arbeit wurden GaAs-basierte Hochgeschwindigkeits-VCSEL entwickelt, die bei 850 und 980 nm emittieren. Während das Hauptziel für die 850 nm VCSEL das Erhöhen der Bitrate in Richtung 40 Gbit/s bei Raumtemperatur war, wurde mit 980 nm VCSELn temperaturstabile Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung bis 100 °C oder höher anvisiert. Sorgfältige Optimierung der epitaktischen Struktur und des Herstellungsprozesses führte zur weltweit ersten Demonstration der 850 nm VCSEL, die fehlerfrei bei der Bitrate von 38 Gbit/s operierten. Das waren zugleich die ersten oxidgeführten VCSEL, die bei 38 Gbit/s arbeiteten. Die Betriebsstromdichte war nur 14 kA/cm2, was niedrig genug ist, um den zuverlässigen und stabilen Laserbetrieb sicherzustellen. Das Erhöhen der Bitrate um mehr als 5 Gbit/s, verglichen zu dem vorher erreichten Wert, steigerte die Chancen auf Demonstration der fehlerfreien Datenübertragung mit 40 Gbit/s mit kostengünstigen und zuverlässigen GaAs-basierten oxidgeführten VCSELn auf der kommerziell bedeutendsten Wellenlänge von 850 nm entscheidend. Reduzieren des Laserdurchmessers und der Dimensionen der elektrischen Kontakte sowie Anwendung mehrerer Oxidaperturen und dicker dielektrischer Schichten führten zu den parasitären Bandbreiten von mehr als 27 GHz, was entscheidend zu den Rekordeigenschaften der hergestellten VCSEL beigetragen hatte. Die sorgfältig optimierte epitaktische Struktur und das Konzept des Laserherstellungsprozess, das auf zwei Mesas mit unterschiedlichen Durchmessern basiert, zusammen mit der Einführung der Druckspannungen in die aktive Zone durch Anwendung der mehrfachen InGaAs-Quantenfilmen (QWs) hat die maximal erreichbare Resonanzfrequenz auf mehr als 22 GHz deutlich gesteigert. Zusätzlich, die verkleinerte Dämpfung hat die Bandbreiten von mehr als 20 GHz ermöglicht, was hoch genug für eine fehlerfreie Datenübertragung bei 38 Gbit/s ist. Mit den in dieser Arbeit hergestellten 980 nm VCSELn wurden weltweit erste offene Augendiagramme bei erhöhten Temperaturen bis zu 120 °C bei 20 Gbit/s demonstriert. Das waren die ersten von allen VCSELn, die bei 120 °C bei 20 Gbit/s operieren. Sorgfältige Optimierung der Laserstruktur und des Laserdesigns, Anwendung der stark verspannten, in dem Submonolagenmodus gewachsenen, mehrfachen InGaAs-Schichten für die aktive Zone und die Einführung der optimierten Verstimmung zwischen dem Gewinnpeak und der Kavitätsresonanz führte zu sehr temperaturstabilen statischen und dynamischen Eigenschaften. Wenig temperaturabhängige Bandbreiten von 11-13 GHz im ganzen Temperaturbereich von 25 bis zu 120 °C wurden gemessen, die konsistent zu temperaturunempfindlichen Großsignalmodulationsverhalten bei 20 Gbit/s führten. Weitere Verbesserungen der Laserstruktur und des Designs ermöglichten das Erhöhen der Bitrate auf 25 Gbit/s bei der Temperatur von 85 °C mit 980 nm VCSELn, die auf hoch verspannten mehrfachen InGaAs-QWs basierten. Die in Rahmen dieser Dissertation entwickelten Laser erhöhten sowohl die maximale erreichte Bandbreite als auch die maximale Betriebstemperatur der oxidgeführten VCSEL, was deren gewaltiges Potential bestätigte, als sehr kostengünstige, kompakte, hocheffiziente und zuverlässige Laserlichtquellen für zukünftige optische Datenübertragungssysteme für kurze und sehr kurze Distanzen zu dienen.
The forecast for the serial transmission speeds used for data communication systems is a continued exponential increase with time, directly in concert with silicon integrated circuit scaling and in response to human society’s perpetual hunger for massive increases in bandwidth. Electrical interfaces for single channel bit rates beyond 10 Gbit/s are being standardized for a variety of applications. As a result, the fundamental electro-magnetic limitations of copper wire-based links at bit rates >10 Gbit/s make fiber based optics for data communication indispensable, leading to unstoppable and progressive penetration of optical communication links into traditional copper interconnect markets. These trends greatly expand the applications of vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) and VCSEL arrays as very inexpensive, efficient, reliable, readily manufacturable and compact laser light sources for next-generations of fiber-optic, free-space, board-to-board, module-to-module, chip-to-chip and on-chip interconnects and related information systems and networks. Already today oxide-confined GaAs-based VCSELs emitting at 850 nm are the key components for low cost high speed local and storage area network (LAN/SAN) data communication systems. Furthermore, active optical cable links for short-reach computer and consumer applications, for example USB, DisplayPort, and HDMI standards, are increasingly based on VCSELs operating in the near-infrared spectral range. At the standard wavelength of 850 nm room temperature error free data transmission at the bit rate of 32 Gbit/s has been demonstrated in 2009. While the wavelength of 850 nm is the current standard for LAN/SAN applications, potential competitive standards at 980 have many critical advantages for very and ultra short reach systems. This includes smaller operational voltages, transparency of the GaAs substrate and deeper potential wells, suppressing the escape of injected non-equilibrium carriers and increasing the temperature stability of the devices. The latter is especially important for the module-to-module, chip-to-chip and on-chip optical interconnects, since they residing among other close to or even directly on chips, where elevated temperatures are common. In this work high speed GaAs-based oxide-confined VCSELs emitting at 850 and 980 nm were developed. While the main goal for 850 nm VCSELs was the increase of the data transmission speed at room temperature towards 40 Gbit/s, high speed high temperature stable operation at elevated temperatures of higher than 100 °C was aimed with 980 nm VCSELs. Carefully optimization of the laser epitaxial structure and device fabrication process has led to worldwide first demonstration of 850 nm VCSELs operating error free at the bit rate of 38 Gbit/s. These were also the worldwide first oxide-confined VCSELs operating at 38 Gbit/s. The operation current density was as low as 14 kA/cm2, which is sufficient low to ensure reliable and stable device operation. The increase of the maximum transmission data bit rate by more than 5 Gbit/s, compared to the previous worldwide record of 32 Gbit/s for 850 nm VCSELs, decisively improved the chances to demonstrate error free data transmission at 40 Gbit/s with inexpensive and reliable GaAs-based oxide-confined VCSELs at the commercially mostly relevant wavelength of 850 nm. Reduction of the laser diameters and electrical contact dimensions and application of multiple oxide apertures and thick dielectric layers resulted in the electrical parasitic cut-off frequencies larger than 27 GHz, decisively contributing to the record high speed device performance. Carefully optimized epitaxial layout and device fabrication concept based on two mesas with different diameters, together with the introduction of compressive strain into the active region by utilizing of multiple InGaAs quantum wells (QWs), have significant increased the maximum achievable relaxation resonance frequency to values larger than 22 GHz, decisively increasing the laser speed. Additionally, reduced damping has enabled to reach bandwidths of larger than 20 GHz, sufficient large to achieve error free transmission at 38 Gbit/s. With the 980 nm oxide-confined VCSELs developed in the present work, worldwide first high speed operation at the elevated temperatures of up to 120 °C at the bit rate of 20 Gbit/s has been demonstrated. These were worldwide first of any VCSELs operating at 20 Gbit/s at 120 °C. Carefully optimization of the laser structure and device design, utilization of the highly strained multiple InGaAs layers grown in the submonolayer growth mode for the active region, and introduction of the optimized detuning of 15 nm between the peak gain and the cavity dip wavelengths resulted in the very temperature stable static and dynamic characteristics. Hardly temperature dependent bandwidths of 11 – 13 GHz in the whole temperature range from 25 up to 120 °C were measured, consequently leading to a temperature insensitive large signal modulation at the bit rate of 20 Gbit/s. Further improvements of the laser structure and device design enabled an increase of the data transmission bit rate to 25 Gbit/s at elevated temperatures of up to 85 °C, using 980 nm VCSELs based on highly strained multiple InGaAs QWs. The lasers developed in the scope of the present dissertation have increased both the maximum achieved data transmission bit rate and the maximum operational temperature of oxide-confined VCSELs, confirming their immense potential to serve as very inexpensive, compact, low power consuming, highly efficient and reliable laser light sources for future short and very short reach optical interconnects.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-27209
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2819
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2522
Exam Date: 15-Jul-2010
Issue Date: 21-Jul-2010
Date Available: 21-Jul-2010
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Halbleiterlaser
Oberflächenemittierende Laser
Optische Verbindungen
Ultraschnelle Datenkommunikation
High speed data communication
Optical interconnects
Semiconductor lasers
Vertical cavity surface emiting lasers
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