Modulationsdynamik von rot oberflächenemittierenden Halbleiterlasern

Abstract

Zusammenfassung: Oberflächenemittierende Laser mit Vertikalresonator (VCSEL), die bei einer Wellenlänge von 650-670 nm emittieren, sind insbesondere für optische Datenverbindungen mit Plastikfasern geeignet, die ein Absorptionsminimum bei dieser Wellenlänge besitzen. Hier wird das Bauteildesign, die Herstellung und die Charakterisierung im stationären und modulierten Betrieb von selektiv oxidierten VCSEL beschrieben. Ein Herstellungsprozeß mit parasitätsarmem Bauteildesign wurde entwickelt. Die VCSEL-Geometrie wurde im Hinblick auf eine hohe optische Leistung, Betrieb bis zu hohen Temperaturen und eine schnelle Modulation untersucht. Wärmeerzeugung und -abfuhr und Ladungsträgertransport sollen dabei verstanden werden.

Die Absorption bzw. Photonenlebensdauer im VCSEL kann direkt aus den Meßwerten des externen Quantenwirkungsgrads extrahiert werden. Für Aperturen >13 µm ergibt sich eine Absorption von 13 cm-1, was hauptsächlich der Lichtabsorption durch freie Ladungsträger der Dotieratome zugeordnet werden kann. Zu kleineren Aperturen hin ergeben sich kürzere Photonenlebensdauern (statt 2.59 ps nur 1.52 ps bei einer Apertur von 3.5 µm). Zusätzliche optische Verluste treten auf, indem die Ausläufer der Gaußmode an einer kleinen Apertur gestreut werden.

Im Gleichstrombetrieb wurde die Temperatur im VCSEL-Inneren und die optische Ausgangsleistung abhängig von den Betriebsbedingungen (zugeführter Strom, Außentemperatur) und der Bauteilgeometrie (Mesa-, Aperturbreite) gemessen und mit einem Temperaturbilanzmodell rechnerisch nachvollzogen. Die Degradation der Stromschwelle und nicht die Degradation der Quantenausbeute legt den Wert in der Licht-Strom Kennlinie fest, an dem der Laser ausgeht. Durch die spektrale Verschiebung der Emissionswellenlänge ist die Temperatur im VCSEL-Inneren bekannt. Sie steigt für kleine Verhältnisse von Apertur- zu Mesabreite am wenigsten mit der Stromdichte an. Das Mesahalbleitermaterial über der engen Oxidapertur sorgt für eine Querverteilung der Wärme und des Stroms. Gleichzeitig hält die Apertur den als Heizquelle wirkenden Pumpschwellstrom klein. Für maximale optische Leistung ist dagegen eine mittlere Aperturgröße am besten. Zu kleinen Aperturen hin begrenzt die schlechtere Wärmeabfuhr über die thermische Leitfähigkeit die Ausgangsleistung. Zu großen Aperturen und damit auch großen Pumpströmen hin dominiert die dissipierte elektrische Leistung mit ihrer Wärmeerzeugung durch den elektrischen Widerstand. Im gepulsten Betrieb erhält man eine maximal mögliche Umgebungstemperatur von 150°C für das Materialsystem des 670 nm VCSEL GaInP/AlGaInP mit einer Banddiskontinuität von ca. 400 meV. Bei höheren Temperaturen gehen zu viele Elektronen den Quantenfilmen verloren. Dieser Wert entspricht den Innentemperaturwerten, bis zu denen im Gleichstrombetrieb Laseremission zu sehen war.

Mißt man die VCSEL-Antwort auf eine Kleinsignalmodulation der Stromamplitude und paßt eine Drei-Pol-Transferfunktion aus den Laserratengleichungen an, ist es möglich, die relative Wichtigkeit der vier bandbreitenlimitierenden Effekte in einem Halbleiterlaser zu bestimmen. Das ist die intrinsische Dämpfung der Resonanzspitze (0.17 ns K-Faktor -> 52 GHz Bandbreite), die thermische Sättigung der Resonanzfrequenz, das parasitäre und das transportbedingte parasitätsähnliche Absinken der Antwortfunktion (33 ps diffusive Transportzeit der Ladungsträger über die Einbettungs- und Barrierenschicht der 1-lambda-cavity -> 18 GHz Bandbreite). Durch eine dickere Passivierungsschicht reduzierten wir die Kontaktflächenkapazität und damit das parasitäre RC-Produkt und erreichen Modulationsbandbreiten von 4 GHz für einen 650 nm VCSEL. Beseitigt man das parasitäre Abfallen der Antwort zu hohen Frequenzen hin, ist das eigentliche Limit im roten VCSEL ein thermisches Limit - wie im Gleichstrombetrieb. Mit höherem Arbeitsstrom nimmt die Bauteilerwärmung zu und Photonendichte und Bandbreite sättigen. Der kleine Apertur-VCSEL mit dem besseren Temperaturbudget erreicht deutlich höhere Resonanzfrequenzen und zwar 6.3 GHz bei 4.5 mA mit einer Apertur von 3.5 µm (bei 657.9 nm). Aus den Modulationsmessungen läßt sich zudem über die Verstärkungskompression die lokale Einfangzeit von der Barrierenregion in den Quantenfilm als maximal 2 ps lang abschätzen.

Die digitale Großsignalantwort des VCSELs ist durch Ein- und Ausschaltverzögerungen weiter begrenzt. Die numerische Simulation der Antwort liefert für die Ladungsträgerlebensdauer an der Schwelle 0.39 ns (Apertur 7 µm) (wie auch aus der Schwellstromdichte des stationären Betriebs und aus der Kleinsignalmodulation). Bei einem Vorstrom über der Schwelle wird die Einschaltverzögerung mit steigender Kleinsignal-Resonanzfrequenz kürzer. Aber auch die RC-Aufladekurve durch die dünne Oxidschicht beeinflußt die Einschaltverzögerung noch. Es wurde ein Augendiagramm bei einer Datenrate von 1.25 Gb/s mit dem 650 nm VCSEL aufgenommen.

Abstract: Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) emitting at a wavelength of 650-670 nm are especially suited for optical data links with plastic fibre due to a minimum in transmission loss at this wavelength. The dissertation describes the device design, fabrication and characterization in constant and modulated operation of selectively oxidized VCSEL. A fabrication process with low-parasitics device design was developed. The VCSEL geometry was examined in view of high optical power, operation up to high temperatures and fast modulation. Heat generation and removal and carrier transport should be understood thereby.

The absorption or photon lifetime in the VCSEL can be extracted directly from the measured values of the external quantum efficiency. Apertures >13 &#181;m yield an absorption of 13 cm-1, which mainly can be attributed to the intensity absorption due to free carriers of the dopants. Apertures < 13 &#181;m show shorter photon lifetimes as the aperture size is decreased (instead of 2.59 ps only 1.52 ps with an aperture of 3.5 &#181;m). Additional optical losses occur by scattering excess of the Gaussian mode from small apertures.

In direct current operation the temperature inside the VCSEL and the optical output power were measured dependent on the conditions of operation (supplied current, ambient temperature) and the device geometry (mesa width, aperture width). These measurements were duplicated mathematically by a temperature balance model. The degradation of the threshold current, not the degradation of the quantum efficiency, determines the value on the light-current characteristic, where the laser switches off. The temperature inside the VCSEL is known through the spectral shift of the emission wavelength. For small ratios of aperture to mesa width, it rises the weakest with current density. The mesa semiconductor material above the narrow oxide aperture provides for lateral distribution of heat and of current. Simultaneously the pump threshold current acting as heating source is kept small by the aperture. On the other hand a medium aperture size is best to achieve maximum optical power. Down to smaller apertures the poorer heat removal by thermal conductivity limits the output power. Up to large apertures and with it high pump currents the dissipated electrical power dominates with its heat generation by electrical resistance. In pulsed operation a maximum ambient temperature of 150°C is obtained for the material system of the 670 nm VCSEL GaInP/AlGaInP with a band offset of about 400 meV. At temperatures higher than this too many electrons escape the quantum wells. This value corresponds with the value of the internal temperature, up to which laser emission was observed during dc operation.

Measuring the VCSEL response to small-signal modulation of the current amplitude and fitting a three-pole transfer function from laser rate equations to it, enables us to determine the relative importance of the four different bandwidth-limiting effects in a semiconductor laser. These are the intrinsic damping of the resonance peak (0.17 ns K-factor -> 52 GHz bandwidth), the thermal saturation of the resonance frequency, the parasitic, and the transport induced parasitic-like roll-off of the response function (33 ps diffusive carrier transport time across the spacer and barrier layer of the 1-lambda-cavity -> 18 GHz bandwidth). Through a thicker passivation layer we reduced the contact area capacitance and thereby the parasitic RC-product and achieve modulation bandwidths of 4 GHz for a 650 nm-VCSEL. When the parasitic response roll-off with increasing frequency is eliminated, the main limit in red VCSELs is a thermal limit - as for dc operation. With higher drive currents the device heating grows and photon density and bandwidth saturate. The small-aperture VCSEL with the better temperature budget reaches far higher resonance frequencies, that is 6.3 GHz at 4.5 mA with an aperture of 3.5 &#181;m (at 657.9 nm). Moreover, the modulation measurements yield a gain compression factor, from which the local capture time from the barrier region into the quantum well can be estimated as maximally 2 ps long.

The large-signal digital response of VCSELs is further limited by on- and off-switching delays. The numerical simulation of the response gives for the carrier lifetime at threshold a value of 0.39 ns (aperture 7 &#181;m) (as results from threshold current densities of dc operation and from small-signal modulation). For biasing above threshold, the on-switching delay becomes shorter with increasing small-signal resonance frequency. But also the RC-charge curve due to the thin oxide layer still affects the on-switching delay. An eye-diagram at a data-rate of 1.25 Gb/s was recorded with the 650 nm VCSEL.