【摘要】：VCSEL具有高的調制速率,易于高速通信、圓形光斑易與光纖耦合、在光纖中傳輸時損耗低、高溫度穩(wěn)定性,減少在一定溫度下正常工作需要調節(jié)器件所需合適參數(shù)帶來的成本、低閾值電流和高效率,利于低功耗、易于二維集成、工藝成熟可靠、易于與其它光電器件集成等優(yōu)勢,一直得到了深入研究。隨著大數(shù)據(jù)時代對建立高帶寬、低功耗的綠色數(shù)據(jù)通信需求的日益增強,使高速VCSEL越來越成為最主流的高速光源之一,因此需要深入研究VCSEL的高速調制機理及限制高速調制特性的主要影響因素,解決傳輸速率和功耗的矛盾,使高速VCSEL成為高速光通信、光互聯(lián)等光網絡中的光源之一。本論文面向高速光通信,以研制-3d B帶寬大于10GHz的VCSEL為目標,理論上深入研究850nm VCSEL的高速調制特性機理及限制因素,主要包括弛豫振蕩頻率、熱、寄生RC參數(shù)及電極結構的微波反射特性等,并在實驗上制備出-3d B帶寬大于10GHz的VCSEL,最后對制備的VCSEL進行了分析靜態(tài)特性和動態(tài)特性的研究和優(yōu)化,實驗結果與理論分析、軟件仿真一致。本論文主要研究內容及結論概括如下:1.理論研究發(fā)現(xiàn)限制氧化限制VCSEL高速調制特性的主要因素主要包括:弛豫振蕩頻率、阻尼和寄生RC電路。弛豫振蕩頻率是VCSEL高速調制特性的最主要因素;通過對弛豫震蕩頻率的推導,理論研究發(fā)現(xiàn)限制弛豫震蕩頻率的主要限制因素是量子阱微分增益和光子壽命;研究VCSEL器件的寄生RC并建立器件的寄生電路模型,并利用二端口網絡理論研究寄生電路的高頻響應特性和電極結構的微波反射特性。2.研究制備高速VCSEL的關鍵工藝:濕法腐蝕、Al Ga As的濕氮氧化及BCB的刻蝕。Al Ga As材料在濕法腐蝕和濕氮氧化過程中的各向異性是導致氧化孔徑呈現(xiàn)眼型的原因,但是對本實驗制備的VCSEL中寄生RC參數(shù)的影響不大。研究了BCB在刻蝕過程中出現(xiàn)難以刻蝕并絕緣的玻璃狀殘留物的原因。3.制備了四種臺面尺寸的單臺面異面電極結構的VCSEL,對器件進行靜態(tài)特性的研究,并重點研究VCSEL的動態(tài)特性。制備的VCSEL的-3d B帶寬大于10GHz,約等于12GHz,并且?guī)挼臏y試受到了實驗儀器測試帶寬的限制;研究發(fā)現(xiàn)VCSEL的-3d B帶寬隨著驅動電流的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,主要是由于量子阱中載流子的泄露隨著熱的增大而增大,使微分增益減小導致的。實驗結果與理論分析和軟件模擬一致。4.利用二端口網絡研究異面電極結構的反射特性及其對VCSEL高速調制特性測試的影響。研究異面電極結構的特征阻抗與電極結構參數(shù)的關系。實驗制備的VCSEL的異面電極結構的反射系數(shù)為22%,并發(fā)現(xiàn)增大信號線的寬度同時減小片子厚度,可實現(xiàn)阻抗匹配。在片子厚度為100μm,信號線寬度為70μm時,特征阻抗為~50Ω。并進一步設計了易于工藝實現(xiàn)的特征阻抗匹配的同面電極結構,并研究了特征阻抗與同面電極結構相關參數(shù)的關系,發(fā)現(xiàn)對該電極結構的特征阻抗影響最大的是BCB的厚度、電極的寬度,且要求正負電極線之間的寬度大于30μm;5.對VCSEL進行RC參數(shù)的提取,并建立了器件的等效電路:其-3d B帶寬大于10GHz。
[Abstract]:The vcsel has a high modulation rate, is easy to be high-speed communication, the circular light spot is easy to be coupled with the optical fiber, and has the advantages of being beneficial to low power consumption, easy two-dimensional integration, mature and reliable process, easy integration with other photoelectric devices and the like, and has been deeply researched. With the increasing demand of high-bandwidth and low-power-consumption green data communication in the large data era, the high-speed VCSEL is becoming one of the most mainstream high-speed light sources, so it is necessary to study the high-speed modulation mechanism of the VCSEL and the main influencing factors to limit the high-speed modulation characteristics. the contradiction between the transmission rate and the power consumption is solved, and the high-speed VCSEL is one of the light sources in the optical network such as high-speed optical communication and optical interconnection. This paper is aimed at high-speed optical communication. In order to develop the VCSELs with a bandwidth of more than 10GHz, the high-speed modulation characteristics and the limiting factors of the 850nm VCSEL are studied theoretically, including the relaxation oscillation frequency, the heat, the parasitic RC parameters and the microwave reflection characteristics of the electrode structure. In this paper, a VCSEL with a bandwidth of greater than 10GHz is prepared on the experiment, and the research and optimization of the static and dynamic properties of the prepared VCSEL are carried out. The experimental results are consistent with the theoretical analysis and the software simulation. The main contents and conclusions of this thesis are as follows: 1. The main factors that limit the high-speed modulation of VCSELs include: the relaxation oscillation frequency, the damping and the parasitic RC circuit. The relaxation oscillation frequency is the most important factor of the high-speed VCSEL's high-speed modulation. By the derivation of the relaxation oscillation frequency, it is found that the main limiting factors for limiting the relaxation oscillation frequency are the differential gain and the photon life of the quantum well. the parasitic RC of a VCSEL device is studied and a parasitic circuit model of the device is established, and the high-frequency response characteristic of the parasitic circuit and the microwave reflection characteristic of the electrode structure are studied by using the two-port network theory. The key technologies for preparing high-speed VCSELs are: wet etching, wet-nitrogen oxidation of Al Ga As and etching of BCB. The anisotropy of the Al Ga As material in the process of wet etching and wet-nitrogen oxidation is the cause of the presence of an eye-type in the oxide aperture, but the effect of the parasitic RC parameters in the VCSEL prepared in this experiment is not large. The reason of the glass-like residue which is difficult to etch and insulate during the etching process of BCB is studied. The VCSELs with four mesa-sized single-mesa heterohedral electrode structures were fabricated, and the static characteristics of the devices were studied, and the dynamic characteristics of the VCSELs were studied. the-3d b bandwidth of the prepared vcsel is greater than 10ghz, approximately 12ghz, and the test of the bandwidth is limited by the test bandwidth of the experimental apparatus; and it is found that the-3d b bandwidth of the vcsel tends to decrease as the drive current increases, mainly because the leakage of carriers in the quantum well is increased with the increase of the heat, and the differential gain is reduced. The experimental results are consistent with the theoretical analysis and the software simulation. The reflection characteristics of different surface electrode structures and its influence on the high-speed modulation characteristics of VCSEL are studied by two-port network. The relationship between the characteristic impedance and the parameter of the electrode structure is studied. The reflection coefficient of the heterohedral electrode structure of the VCSEL prepared by the experiment is 22%, and it is found that the width of the signal line is increased and the film thickness is reduced, and the impedance matching can be realized. The characteristic impedance was ~ 50 惟 when the film thickness was 100. m u.m and the width of the signal line was 70. m and the relationship between the characteristic impedance and the parameters related to the surface electrode structure is studied, the characteristic impedance of the electrode structure is found to be the largest, the thickness of the BCB, the width of the electrode, and the width of the positive and negative electrode lines is required to be greater than 30 mum; 5. The extraction of the RC parameters of the VCSEL is carried out, and the equivalent circuit of the device is established: its-3dB bandwidth is greater than 10GHz.
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN248

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本文編號：2372318