VCSEL Equivalent Circuits and Silicon Photonics Integration
Doctoral thesis, 2022

The vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is a light source of great importance for numerous industrial and consumer products. The main application areas are datacom and sensing. The datacom industry uses GaAs-based VCSELs for optical interconnects, the short-reach fiber optical communication links used to transfer large amounts of data at high rates between units within data centers and supercomputers. In the area of sensing, VCSELs are largely used in consumer products such as smart phones (e.g. face ID and camera auto focus), computer mice, and automobiles (e.g. gesture recognition and LIDAR for autonomous driving).

In this work, an advanced physics-based equivalent circuit model for datacom VCSELs has been developed. The model lends itself to co-design and co-optimization with driver and receiver ICs, thereby enabling higher data rate transceivers with bandwidth limited VCSELs and photodiodes. The model also facilitates an understanding of how each physical process within the VCSEL affects the VCSEL static and dynamic performance. It has been applied to study the impact of carrier transport and capture on VCSEL dynamics.

The work also includes micro-transfer-printing of GaAs-based single-mode VCSELs on silicon nitride photonic integrated circuits (PICs). Such PICs are increasingly used for e.g. compact and highly functional bio-photonic sensors. Transfer printing of VCSELs enables the much-needed on-PIC integration of power efficient light sources. The bottom-emitting VCSELs are printed above grating couplers on the PIC and optical feedback is used to control the polarization for efficient coupling to the silicon nitride waveguide. Wavelength tuning, as required by the bio-sensing application, is achieved by direct current modulation.

vertical-cavity surface-emitting laser

light source integration

equivalent circuit

silicon photonics

sensing

optical interconnects

Kollektorn, MC2, Kemivägen 9
Opponent: Dr. Mike Tan, Lumentum, USA

Author

Alexander Grabowski

Chalmers, Microtechnology and Nanoscience (MC2), Photonics

Large-Signal Equivalent Circuit for Datacom VCSELs

Journal of Lightwave Technology,;Vol. 39(2021)p. 3225-3236

Journal article

Large-Signal Equivalent Circuit for Datacom VCSELs – Including Intensity Noise

Journal of Lightwave Technology,;(2022)p. 1-9

Journal article

Impact of Carrier Transport and Capture on VCSEL Dynamics

IEEE Journal of Quantum Electronics,;Vol. 59(2023)p. 1-6

Journal article

En VCSEL (vertikal-kavitets yt-emitterande laser) är en liten halvledarlaser, mindre än ett sandkorn. Den är mycket energieffektiv, kan masstillverkas till låg kostand, samt snabbt slås på och av, tiotals miljarder gånger per sekund. Dessa egenskaper utnyttjas kommerisiellt, där VCSELar är en kärnteknologi i korta optiska länkar för dataöverföring i höga hastigheter (ett tiotal gigabit per sekund), t.ex. i datacenter. Ett annat stort användningsområde för lasrarna är sensorer, t.ex. i självkörande bilar och smartphones (autofokus, närhetssensor, Face ID).

Eftersom utvecklingen av VCSELar har kommit långt, har man nu för dataöverföring nått en flaskhals där det är svårt att vidare öka överföringstakten per laser. För att kringgå detta försöker man istället optimera övrig elektronik uppkopplad mot lasern. Arbetet i avhandlingen har därför fokuserat på att ta fram en elektrisk krets som skall motsvara lasern och kunna förutsäga hur den beter sig i olika situationer, just för att underlätta optimering av den övriga elektroniken.

Den andra aspekten som tas upp i avhandlingen är kiselfotonik, det vill säga användningen av kiselbaserade optiska kretsar för att överföra och manipulera ljus. Eftersom lasrar inte går att göra av kisel, har vi gjort VCSELar av ett annat material och för första gången demonstrerat integration på kiselfotoniska kretsar med hjälp av en massfabrikationvänlig metod, med tillämpningar bland annat i biologiska sensorer.

Hot-Optics

Swedish Foundation for Strategic Research (SSF) (CHI19-0004), 2021-01-01 -- 2025-12-31.

Circuit (PIX) Pilot Line For Life Science Applications (PIX4LIFE)

European Commission (EC) (EC/H2020/688519), 2016-01-01 -- 2018-12-31.

Multi-Tbps Optical Interconnects (MuTOI)

Swedish Foundation for Strategic Research (SSF) (SE13-0014), 2014-03-01 -- 2019-06-30.

Areas of Advance

Information and Communication Technology

Nanoscience and Nanotechnology

Energy

Driving Forces

Sustainable development

Subject Categories

Telecommunications

Physical Sciences

Atom and Molecular Physics and Optics

Communication Systems

Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Nano Technology

Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Condensed Matter Physics

Infrastructure

Nanofabrication Laboratory

ISBN

978-91-7905-681-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5147

Publisher

Chalmers

Kollektorn, MC2, Kemivägen 9

Online

Opponent: Dr. Mike Tan, Lumentum, USA

More information

Latest update

3/30/2023