Degradation modeling of IR laser diodes for silicon photonics manufactured by micro-transfer printing

The aim of this work focuses on the characterization of infrared lasers and their application on silicon photonics. The devices under tests are 1.3 µm edge emitting Lasers (EELs), 850 nm Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) and 1550 nm Distributed Feedback Lasers (DFB). The first two type of lasers have been analyzed with very short pulse measurements, in the order of nanoseconds, to avoid the self-heating of the DUT. From these measurements it was possible to extract the thermal resistances of these lasers which is useful to characterize the thermal properties of the devices under investigation. Then we evaluated the reliability of the devices firstly carrying out a current step-stress experiment to test the degradation of the DUT as a function of the current. Afterwards, we employed a constant current stress to observe the degradation kinetics of various laser characteristics including both electrical and optical parameters. Thanks to this analysis we proposed a degradation model capable of explaining the origin of degradation and proposing a possible mitigation strategy to improve the state-of-the-art of laser diodes for silicon photonics.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è la caratterizzazione di laser infrarossi e la loro applicazione nella silicon photonics. I dispositivi studiati sono 1.3 µm edge emitting Lasers (EELs), 850 nm Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) e 1550 nm Distributed Feedback Lasers (DFB). Le prime due tipologie sono state analizzate attraverso delle misure realizzate con impulsi molto brevi, nell’ordine dei nanosecondi, per evitare il surriscaldamento del dispositivo. Da queste misure è stato possibile estrarre la resistenza termica di questi laser che poi sarà utilizzata per caratterizzare le proprietà termiche dei dispositivi investigati. L’ultima tipologia di laser è stata utilizzata per condurre prima uno step stress in corrente per testare il degrado del laser in funzione della corrente, poi un constant stress sempre in corrente per osservare le cinetiche di degrado delle varie caratteristiche dei laser, specialmente elettriche e ottiche. Grazie a queste analisi siamo riusciti a proporre un modello di degrado in grado di spiegarne l’origine e proporre una possibile strategia per migliorare la state-of-the-art dei laser per la silicon photonics.