Энергоэффективность вертикальноизлучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм с активной областью на основе напряжённых квантовых ям InGaAs/InAlGaAs

Блохин С.А., Ковач Я.Н., Бобров М.А., Блохин А.А., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Гладышев А.Г., Копытов П.Е., Папылев Д.С., Воропаев К.О., Егоров А.Ю., Тиэн Сиконг, Бимберг Дитер

Ссылка для цитирования:

Блохин С.А., Ковач Я.Н., Бобров М.А., Блохин А.А., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Гладышев А.Г., Копытов П.Е., Папылев Д.С., Воропаев К.О., Егоров А.Ю., Сиконг Тиан, Дитер Бимберг. Энергоэффективность вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм с активной областью на основе напряжённых квантовых ям InGaAs/InAlGaAs // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 12. С. 35–45. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-12-35-45

Blokhin S.A., Kovach Ya.N., Bobrov M.A., Blokhin A.A., Babichev A.V., Karachinsky L.Ya., Novikov I.I., Gladyshev A.G., Kopytov P.E., Papylev D.S., Voropaev K.O., Egorov A.Yu., Tian S.-C., Bimberg D. Energy efficiency of optical data transmission by 1.55 μm range vertical-cavity surface-emitting laser with the active region based on InGaAs/InAlGaAs quantum wells [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 12. P. 35–45. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-35-45

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 1,55 мкм на основе напряжённых квантовых ям InGaAs/InAlGaAs, изготовленные в рамках технологии спекания пластин гетероструктур распределённых брэгговских отражателей и оптического резонатора, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Цель работы. Оценка энергоэффективности передачи информации вертикально-излучающим лазером спектрального диапазона 1,55 мкм, изготовленным с использованием комбинированного метода спекания и молекулярно-пучковой эпитаксии, в широком диапазоне скоростей передачи данных 5–30 Гбит/с. Метод. Измерения глазковых диаграмм при амплитудной модуляции и различной скорости передачи данных, а также оценка полосы частот эффективной модуляции и динамической энергоэффективности лазера по результатам малосигнального частотного анализа. Основные результаты. Показано, что минимальная энергоэффективность на уровне 0,83 пДж/бит достигается при скорости передачи данных 20 Гбит/с для исследованных лазеров, что коррелирует с результатами теоретической оценки. При предельной скорости передачи данных 30 Гбит/с параметр энергоэффективности лазера возрастает до 1,2 пДж/бит, что связано с более медленным нарастанием частоты эффективной модуляции по сравнению с ростом энергопотребления при больших токах накачки. Практическая значимость. Полученные результаты важны при проектирования эффективных высокоскоростных оптоволоконных приёмопередатчиков на основе вертикально-излучающих лазеров спектрального диапазона 1,55 мкм.

Ключевые слова:

вертикально-излучающие лазеры, технология спекания пластин, амплитудная модуляция, быстродействие, энергоэффективность

Благодарность:

работа авторов из Университета ИТМО в части малосигнального частотного анализа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект тематики научных исследований № 2019-1442. Авторы из Китайской академии наук выражают благодарность поддержке со стороны Национальной программы ключевых исследований и разработок Китая (2021YFB2801000) в части исследований СП-ВИЛ при модуляции большим сигналом. Карачинский Л.Я. и Блохин С.А. благодарят за поддержку в рамках международной стипендиальной инициативы Президента Китайской академии наук (гранты № 2023VTA0007 и № 2023VTB0002) в части исследований статических характеристик и исследований энергоэффективности лазеров, соответственно.

Коды OCIS: 140.5960, 250.5960, 140.7260, 250.7260, 160.6000, 060.4080, 060.4510

Список источников:

1. Padullaparthi B.D., Tatum J.A., Iga K. VCSEL industry : communication and sensing. Piscataway: WileyIEEE Press, 2021. 352 p.
2. Cheng H.-T., Yang Y.-C., Liu T.-H. et al. Recent advances in 850 nm VCSELs for high-speed interconnects // Photonics. 2022. V. 9. № 2. P. 107. https://doi.org/ 10.3390/photonics9020107
3. Stepniak G., Lewandowski A., Kropp J.R. et al. 54 Gbit/s OOK transmission using single-mode VCSEL up to 2.2 km MMF // Electron. Lett. 2016. V. 52. № 8. P. 633–635. https://doi.org/10.1049/el.2015.4264
4. Zhang L., Chen J., Agrell E. et al. Enabling technologies for optical data center networks: Spatial division multiplexing // J. Light. Technol. 2020. V. 38. № 1. P. 18–30. https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2941765
5. Блохин С.А., Бобров М.А., Блохин А.А. и др. Анализ внутренних оптических потерь вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 1.3 μm с туннельным переходом на основе слоев n+-InGaAs/ p+-InGaAs/p+-InAlGaAs // Письма в журнал технической физики. 2021. Т. 47. № 23. С. 3–7. https://doi. org/10.21883/PJTF.2021.23.51774.18938
Blokhin S.A., Bobrov M.A., Blokhin A.A. et al. Analysis of internal optical loss of 1.3 μm vertical-cavity surface-emitting laser based on n++-InGaAs/р++- InGaAs/р++-InAlGaAs tunnel junction // Tech. Phys. Lett. 2020. V. 49. № S3. P. S173–S177. https://doi. org/10.1134/S1063785023900662
6. Блохин С.А., Бабичев А.В., Карачинскийи Л.Я. и др. Высокоскоростные одномодовые вертикально-излучающие лазеры спектрального диапазона 1550 нм // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56. № 8. С. 814–823. https://doi.org/10.21883/FTP.2022. 08.53151.9890
Blokhin S.A., Babichev A.V., Karachinsky L.Ya. et al. 1550 nm range high-speed single-mode wafer-fused vertical-cavity surface-emitting lasers // Semiconductors. 2022. V. 56. № 8. P. 598–606. https://doi.org/ 10.1134/S1063782623070072
7. Park M.-R., Kwon O.-K., Han W.-S. et al. All-epitaxial InAlGaAs-InP VCSELs in the 1.3–1.6-μm wavelength range for CWDM band applications // IEEE Photonics Technol. Lett. 2006. V. 18. № 16. P. 1717–1719. https:// doi.org/10.1109/LPT.2006.879940
8. Babichev A., Blokhin S., Kolodeznyi E. et al. Longwavelength VCSELs: Status and prospects // Photonics. 2023. V. 10. № 3. P. 268. https://doi.org/10.3390/ photonics10030268
9. Hofmann W. High-speed buried tunnel junction vertical-cavity surface-emitting lasers // IEEE Photonics J. 2010. V. 2. № 5. P. 802–815. https://doi.org/10.1109/ JPHOT.2010.2055554
10. Muller M., Müller M., Wolf P., Gründl T. et al. Energyefficient 1.3 μm short-cavity VCSELs for 30 Gb/s errorfree optical links // ISLC 2012 International Semiconductor Laser Conference. San Diego, USA. October 7–10, 2012. P. 1–2. https://doi.org/10.1109/ISLC.2012. 6348316
11. Spiga S., Soenen W., Andrejew A. et al. Single-mode high-speed 1.5-μm VCSELs // J. Light. Technol. 2017. V. 35. № 4. P. 727–733. https://doi.org/10.1109/JLT. 2016.2597870
12. Caliman A., Mereuta A., Suruceanu G. et al. 8 mW fundamental mode output of wafer-fused VCSELs emitting in the 1550-nm band // Opt. Express. 2011. V. 19. № 18. P. 16996. https://doi.org/10.1364/OE.19.016996
13. Caliman A., Mereuta A., Wolf P. et al. 25 Gbps direct modulation and 10 km data transmission with 1310 nm waveband wafer fused VCSELs // Opt. Express. 2016. V. 24. № 15. P. 16329. https://doi.org/10.1364/OE.24.016329.
14. Babichev A.V., Karachinsky L.Ya., Novikov I.I. et al. 6-mW single-mode high-speed 1550-nm wafer-fused VCSELs for DWDM application // IEEE J. Quantum Electron. 2017. V. 53. № 6. P. 1–8. https://doi.org/ 10.1109/JQE.2017.2752700.
15. Блохин С.А., Бабичев А.В., Карачинский Л.Я. и др. Оптический передатчик спектрального диапазона 1,55 мкм на основе вертикально-излучающего лазера // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 11. С. 61–69. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-11-61-69
Blokhin S.A., Babichev A.V., Karachinsky L.Ya. et al. 1.55-μm range optical transmitter based on a verticalcavity surface-emitting laser // J. Opt. Technol. 2022. V. 89. № 11. P. 681. https://doi.org/10.1364/JOT.89. 000681
16. Babichev A., Blokhin S., Gladyshev A. et al. Impact of device topology on the performance of high-speed 1550 nm wafer-fused VCSELs // Photonics. 2023. V. 10. № 6. P. 660. https://doi.org/10.3390/photonics10060660.
17. Moser P., Moser P., Lott J.A., Larisch G. et al. Impact of the oxide-aperture diameter on the energy efficiency, bandwidth, and temperature stability of 980-nm VCSELs // J. Light. Technol. 2015. V. 33. № 4. P. 825–831. https://doi.org/10.1109/JLT.2014.2365237.
18. Müller M., Wolf P., Grasse C. et al. 1.3 μm short-cavity VCSELs enabling error-free transmission at 25 Gbit/s over 25 km fibre link // Electron. Lett. 2012. V. 48. № 23. P. 1487. https://doi.org/10.1049/el.2012.3355.
19. Bimberg D., Larsson A., Joel A. Faster, more frugal, greener VCSELs // Compound Semiconductor. 2014. V. 20. P. 34–39.
20. Wolf P., Li H., Caliman A. et al. Spectral efficiency and energy efficiency of pulse-amplitude modulation using 1.3 μm wafer-fusion VCSELs for optical interconnects // ACS Photonics. 2017. V. 4. № 8. P. 2018–2024. https:// doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00403
21. Ortsiefer M., Shau R., Böhm G. et al. Low-threshold index-guided 1.5 μm long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 76. № 16. P. 2179. https://doi.org/ 10.1063/1.126290
22. Блохин С.А., Бобров М.А., Малеев Н.А. и др. Вертикально-излучающий лазер спектрального диапазона 1,55 мкм с туннельным переходом на основе слоев n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs // Письма в журнал технической физики. 2020. Т. 46. № 17. С. 21–25. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.17.49888. 18393
Blokhin S.A., Bobrov M.A., Maleev N.A. et al. A vertical-cavity surface-emitting laser for the 1.55-μm spectral range with tunnel junction based on n++-InGaAs/p++-InGaAs/p++-InAlGaAs Layers // Tech. Phys. Lett. 2020. V. 46. № 9. P. 854–858. https:// doi.org/10.1134/S1063785020090023
23. Блохин С.А., Бобров М.А., Блохин А.А. и др. Влияние латерального оптического ограничения на характеристики вертикально-излучающих лазеров cпектрального диапазона 1,55 мкм с заращенным туннельным переходом // Письма в журнал технической физики. 2021. Т. 47. № 22. С. 3–8. https://doi. org/10.21883/PJTF.2021.22.51717.18942
Blokhin S.A., Bobrov M.A., Blokhin A.A. et al. Impact of transverse optical confinment on performance of 1.55 μm vertical-cavity surface-emitting lasers with a buried tunnel junction // Tech. Phys. Lett. 2022. V. 48. № 14. P. 46–50. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021. 22.51717.18942
24. Haglund E.P., Westbergh P., Gustavsson J.S. et al. Impact of damping on high-speed large signal VCSEL dynamics // J. Light. Technol. 2014. V. 33. № 4. P. 795–801. https://doi.org/10.1109/JLT.2014.2364455
25. Blokhin S.A., Babichev A.V., Gladyshev A.G. et al. 20 Gbps 1300 nm range wafer-fused VCSELs with InGaAs/InAlGaAs superlattice-based active region // Optical Engineering. 2022. V. 61. № 9. P. 096109. https://doi.org/10.1117/1.OE.61.9.096109
26. Yu F.R., Zhang X., Leung V. Green communications and networking. Boca Raton: CRC Press, 2012. 399 p.