Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) haben kantenemittierende Laserdioden als bevorzugte Lichtquellen für kurzreichweitige optische Kommunikationssysteme (optical interconnects OIs) aufgrund ihrer erheblichen Vorteile wie höhere Bitraten, niedriger Energieverbrauch, vorteilhaftere Strahlqualität, niedrige Herstellungskosten und vieles mehr ersetzt. In Anbetracht der Kosten, einer langfristigen nachhaltigeren und zuverlässigen Einsatzfähigkeit, müssen zukünftige OIs für einen Betrieb ohne zusätzliche Kühlung geeignet sein, was bedeutet, dass die VCSEL dauerhaft und zuverlässig bei erhöhten Temperaturen operieren können. Zukünftige Hochleistungsrechner mit einer Rechenleistung von mehreren ExaFLOPS (Gleitkommarechenleistung) werden Milliarden von OIs erforderlich sein und es ist zu erwarten, dass hohe Bitraten von mindestens 25 Gb/s pro Kanal erforderlich sind, um die benötigte Bandbreite zu generieren. Die neuen Generationen von OIs bedingen daher eine erhöhte Bitrate bei einer gleichzeitigen verringerten Verlustleistung. Diese Arbeit weist zum ersten Mal experimentell nach, dass mit 980-nm VCSELn eine gleichzeitige Kombination der essentiellen Eigenschaften - hohe Bitraten, Temperaturstabilität und energiesparend - erreicht werden kann. Es wird gezeigt, dass diese Eigenschaften eine direkte Folge der Hochgeschwindigkeitsherstellung und der epitaktischen Bauteilstruktur sind. Maßgeblich ist jedoch das Design der aktiven Zone, das Verstimmen der Quantentopf-Verstärkungsmaximumswellenlänge zu der Wellenlänge des Etalons, das Design der Bragg-Reflektoren und ein durchdachtes thermisches Bauteildesign. Eine systematische temperaturabhängige und oxid-aperturdurchmesserabhängige Charakterisierung wird präsentiert, einschließlich Dauerstrichmessungen, Kleinsignalanalyse und Datenübertragungsexperimente. Es wurde aufgezeigt, dass VCSEL mit Oxid-Aperturdurchmessern zwischen ca. 3 und 4 µm am besten geeignet sind für einen gleichzeitig energieeffizienten und temperaturstabilen Betrieb bei höchsten Bitraten. Eine fehlerfreie Datenübertragung bei 38 Gb/s und Temperaturen von 25, 45, 65 und 85 °C konnte mit VCSELn mit Oxid-Aperturdurchmessern kleiner als 5 µm nachgewiesen werden. Für alle Temperaturen wurden hierbei dieselben Arbeitspunkte und Modulationshübe verwendet. Bei Raumtemperatur konnte die maximale fehlerfreie Datenrate auf 42 Gb/s erhöht und nachgewiesen werden. Bis zum heutigen Tage sind die hier vorgestellten Bauelemente die energieeffizientesten VCSEL bei hohen Temperaturen von 85 °C. Bei Raumtemperatur ist nur eine geringe Verlustwärme von 145 fJ/bit bei 35 Gb/s, 147 fJ/bit bei 38 Gb/s oder 217 fJ/bit bei 42 Gb/s pro übertragenem Bit für eine fehlerfreie Datenübertragung gegeben. Diese VCSEL mit einem Oxid-Aperturdurchmesse von rund 3 µm haben die kleinste bekannte Verlustleistung verglichen mit anderen 980-nm VCSELn. Eine detaillierte temperatur- und oxid-aperturdurchmesserabhängige Impedanzanalyse wurde durchgeführt, um die Begrenzungen der VCSEL bezüglich der maximalen Datenrate zu verstehen und um zu definieren, welche Verbesserungen in die Designs der nächsten Generation von 980-nm VCSELn einfließen könnten und sollten. Das relative Intensitätsrauschen (RIN) wurde eingehend auf dessen Oxid-Aperturdurchmesserabhänigkeit hin untersucht und es konnte gezeigt werde, dass es klein genug ist, um die Anforderungen des höchsten Fibre Channel Standards (32 GFC) zu erfüllen.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass 980-nm VCSEL mit kleinen Oxid-Aperturdurchmessern (kleiner als 5 µm) besonders gut geeignet und die zu bevorzugenden Lichtquellen für kurzreichweitige optische Datenkommunikation in Hochleistungsrechnern und integrierte photonisch Kommunikationssysteme (optische Chip-to-Chip und Board-to-Board Verbindungen) sind.
Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) have replaced edge-emitting laser diodes as the preferred light sources for short-reach optical interconnects (OIs) due to their significant advantages, including high modulation bit rates, low energy consumption, high beam quality, low manufacturing cost, and more. Considering cost, long-term system sustainability, and reliability, future OIs must be suited for operation without extra cooling, implying the VCSELs must be capable of operating perpetually and reliably at elevated temperatures. Future exaflops-scale supercomputers will require billions of OIs and are predicted to require high bit rate interconnects operating at least at 25 Gbit/s per channel. This leads to the firm requirement for future OI systems of increased bit rate and lower energy dissipation. This work experimentally demonstrate that 980 nm VCSELs can achieve high bit-rate, temperature-stable, and energy-efficient operation concurrently for the first time. It is shown that this is a result of high-speed fabrication and the epitaxial wafer design, including the active region design, the quantum well gain-to-etalon wavelength offset design, the distributed Bragg reflector design, and a careful thermal design. Systematic experimental temperature-dependent and oxide-aperture diameter-dependent characterization are presented, including static measurements, small-signal analysis, and data transmission experiments. It is also demonstrate that VCSELs with oxide-aperture diameters between ~3 and ~4 µm are most suitable to achieve energy-efficient, temperature-stable, and high bit rate operation at the same time. Error-free data transmissions at 38 Gb/s at 25, 45, 65 and 85 °C are achieved without any change of working point and modulation condition by using VCSELs with oxide-aperture diameters smaller than 5 μm. Moreover, error-free data transmission at a bit rate of 42 Gb/s at room temperature is achieved, and 38 Gb/s at 85 °C by using small oxide-aperture VCSELs. These maximum achievable data transmission bit rates match very well with the prediction from small-signal analysis. Record low energy dissipation of 139 and 177 fJ/bit for 35 and 38 Gb/s error-free data transmission at 85 °C are achieved by using a ~3 μm oxide-aperture diameter VCSELs. To date, these VCSELs are the most energy-efficient VCSELs operating at 85 °C at any wavelength. At room temperature, only 145, 147, and 217 fJ/bit of dissipated heat energy per transferred bit are needed for 35, 38, and 42 Gb/s error-free data transmission by using a ~3 μm oxide-aperture diameter VCSEL, which are all record low energy dissipation for 980 nm VCSELs. A temperature-dependent and oxide-aperture diameter-dependent impedance analysis are performed to better understand the bit rate limitations and to understand what improvements should and can be made for the next generation 980 nm VCSEL device design. Relative intensity noise values are also given, which are low enough to satisfy the application requirements of the 32GFC Fiber Channel standard. During the course of this dissertation, small oxide-aperture (diameter smaller than 5 μm) 980 nm VCSELs are demonstrated to be especially well suited for use in short-reach optical interconnects in high performance computers, and in board-to-board and chip-to-chip integrated photonics systems.
