Генерация широко настраиваемого одиночного / двойного РЧ-сигнала монолитным трехсекционным DFB-лазером

Введение

С появлением новых беспроводных технологий будущего развитие сотовой сети перешло в новую эру:требуется большое количество базовых станций микро- или наноразмеров, и можно ожидать энергоэффективной микроволновой передачи [1, 2]. ]. Чтобы построить эту беспроводную инфраструктуру, необходим хороший микроволновый источник. В прошлом было предложено и продемонстрировано несколько методов генерации микроволн (например, X / Ka-диапазонов). Использование электронно-лучевых и обратных генераторов (BWO) может обеспечить высокую интенсивность микроволн (обычно в диапазоне от нескольких сотен мегаватт до даже гигаватт), и они широко применяются в области радаров, дистанционного зондирования, связи и плазмы. наук [3,4,5]. Однако с помощью этой технологии сложно настроить частоту излучения, поскольку она заранее определяется фиксированной волноводной структурой, а размер этой структуры обычно выражается в миллиметрах или сантиметрах. Другой метод заключается в применении эффекта перенесенных электронов в диоде Ганна [6,7,8,9]. Полупроводниковая особенность диода Ганна очень привлекательна, поскольку его размер может варьироваться от десятков микрон до даже субмикрон. Доставляемая мощность тоже впечатляет:от нескольких до десятков милливатт. Но для обеспечения хорошего сигнала устройству обычно требуются другие схемы, а также оно имеет ограниченную возможность настройки частоты, которая ограничена временем передачи собственной несущей по длине устройства [10].

В дополнение к этим традиционным методам будущая беспроводная базовая станция требует не только высокой эффективности, но также небольших размеров и масштабного развертывания. Небольшая архитектура станции и реализация массивной системы с множеством входов и выходов демонстрируют потребность в микроволновой фотонике [11]. Фотонные устройства и инфраструктуры могут снизить сложность сети, увеличить дальность передачи и повысить безопасность передачи. Комбинация пикосоты (малая сота) и оптоволоконной сети позволяет эффективно передавать большие объемы данных на большие расстояния [12]. Следовательно, для реализации таких схем необходим другой тип фотонного устройства, особенно для генерации сильного радиочастотного сигнала с высокой настраиваемостью и для обеспечения многозадачности. Для генерации ВЧ-излучения с узкой шириной линии была предложена лазерная система с синхронизацией инжекции [13]. Гетеродинирование нескольких лазеров с оптической системой фазовой автоподстройки частоты использовалось для генерации высококачественных одно- или двухканальных радиочастотных сигналов и других схем для обеспечения хорошего сигнала, и передача данных может быть показана на этих схемах ранее [14,15, 16]. Многократная интеграция лазеров для генерации микроволнового излучения может быть реализована с использованием интеграции решетчатых волноводных решеток (AWG) [17] и последовательного каскадного программируемого контроллера прерываний [18]. Все эти исследования основывались на точно настроенной оптике и нескольких лазерных источниках, чтобы обеспечить достаточное количество фотонов для взаимодействия.

Чтобы еще больше уменьшить требуемую площадь, занимаемую системой, необходима интегрированная конструкция. Учитывая все методы, которые были опубликованы ранее, мы считаем, что интегрированная микроволновая фотонная генерация может быть хорошим кандидатом [18], потому что (а) размер чипа может быть уменьшен аналогично кремниевым пластинам. Текущий размер наших фотонных чипов может составлять от десятков до сотен микрон, но возможно дальнейшее сокращение занимаемой площади. (б) Фотонное смешение может обеспечить одни из лучших радиочастотных сигналов в прошлой литературе. Например, используя схему синхронизации инжекции, можно значительно уменьшить фазовый шум, что очень важно для ВЧ сигнала [19]. (c) Внешний электрический ток для широко настраиваемого радиочастотного сигнала. Регулируя токи инжекции, микроволновые фотонные чипы могут легко реализовать генерацию в широком диапазоне частот за счет различных взаимодействий фотонов, таких как изменение показателя преломления или оптический гетеродин и т. Д. [20, 21]. Разнообразие физических свойств фотонов делает фотонный чип очень универсальным с точки зрения настройки частоты. Чтобы в полной мере использовать вышеупомянутые фотонные преимущества, в эту конструкцию микросхемы необходимо интегрировать когерентные фотоны разных цветов. В данной работе впервые был разработан трехсекционный лазер с распределенной обратной связью (РОС) с оптической изоляцией РБО. Предлагаемый лазер может работать либо как простой настраиваемый радиочастотный носитель, либо как носитель и источник данных с двумя радиочастотными тонами. Характеристики этого интегрированного устройства могут быть полностью исследованы и проанализированы, и мы полагаем, что это устройство может быть полезно для будущей микроволновой фотонной интеграции.

Методы

Изготовление устройства

В этом исследовании пластины были впервые выращены с использованием системы химического осаждения из газовой фазы на металлоорганические соединения. В качестве активной области использовались квантовые ямы InGaAsP, а длина волны целевой генерации составляла примерно 1550 нм. Решетки РОС-лазеров изготавливались методом электронно-лучевой литографии. После завершения эпитаксиальной процедуры пластина обрабатывалась стандартными полупроводниковыми процессами напыления пленки, сухого / влажного травления и металлизации, описанными в [21]. Пластина была утончена до 100 мкм и отполирована для нанесения на задний металлический контакт (AuGe / Ni / Au) для завершения всех этапов обработки. Следующим шагом будет разрезание пластины на бруски и нарезание брусков на чипы для упаковки. Размер чипа составляет 250 × 900 мкм ² . Интегрированный лазерный чип был прикреплен к керамической подставке и соединен проволокой для зондирования и тестирования. Распределенный брэгговский отражатель воздух / полупроводник травили с использованием системы сфокусированного ионного пучка нанометрового размера (FIB) (модель Tescan № GAIA3). В технологии FIB используются ускоренные ионы Ga с энергией 30 кэВ и током пучка 0,4 нА для бомбардировки целевого полупроводника (такого как InP или Si). Благодаря своей нанометровой точности шкала система FIB может реализовать межсекционный РБО для трехсекционного лазера. DBR состоит из секций воздуха и InP с шириной 1162 нм для секции воздуха и 584 нм для секции InP. Наибольшая глубина травления составляет 7 мкм в пластине. Чтобы контролировать шероховатость поверхности раздела воздух / полупроводник, мы оптимизировали скорость травления ФИП до 33 нм / с. На рис. 1 представлена ​​схема и изображение готового устройства, полученное с помощью SEM. 2,5 пары РБО воздух / InP между секциями могут обеспечить как высокую оптическую отражательную способность, так и электрическую изоляцию, и они разделяют интегрированный чип на три секции:S ₁ , M и S ₂ , как показано на рис. 1. Мы адаптируем обозначения для инжекционных лазеров с синхронизацией, в которых главный и подчиненный лазеры обычно используются для накачивающих и накачивающих устройств.

Схема и SEM-изображение трехсекционного лазерного устройства DFB

Оптическое гетеродинирование

Оптическое гетеродинирование - это метод генерации радиочастотного сигнала во многих микроволновых фотонных структурах [22, 23]. Этот метод генерирует настраиваемый радиочастотный сигнал путем смешивания различных длин волн фотонов [24, 25]. Сначала мы определили два разных сигнала E ₁ и E ₂ следующим образом:

где E ₀₁ и E ₀₂ - амплитуды, ω ₁ и ω ₂ - частоты, а φ ₁ и φ ₂ фазы, соответствующие E ₁ и E ₂ , соответственно. Затем интенсивность общего сигнала микширования I _т можно описать следующим образом [26]:

При измерении общего сигнала только E ₀₁ E ₀₂ × cos [(ω ₁ - ω ₂ ) t + (φ ₁ - φ ₂ )] можно наблюдать, потому что часто встречающиеся члены (такие как ω ₁ и ω ₂ и ω ₁ + ω ₂ ) превышают предел обнаружения фотоприемника. Окончательный обнаруженный радиочастотный сигнал получается на следующей частоте:

В текущем устройстве фотоны с множеством длин волн могут генерироваться одновременно, так что гетеродин может возникать одновременно на разных частотах. Поскольку длиной волны излучения каждого лазера можно управлять с помощью инжектируемого тока, различные комбинации токов могут обеспечивать одиночные и двойные выходные РЧ-сигналы от одного и того же устройства. Эти условия обсуждаются позже в статье.

Система измерения

Чтобы правильно оценить лазерные устройства, выходная мощность тщательно передается по волокну в калиброванный фотодетектор (ФД). Конец световода был сколот под наклоном 8 ° для уменьшения отражения граней. Контроллер поляризации и соответствующие изоляторы были установлены для обеспечения минимальной обратной связи с лазером и максимальной выходной мощности после гетеродинирования. Волоконный усилитель, легированный эрбием, является дополнительным оборудованием, которым можно пренебречь, если сигнал достаточно сильный. Для обнаружения смешанного фотонного сигнала использовался высокоскоростной фотодетектор (PD 50 ГГц, u2tPhotonics®, AG) или другой PD (1414, New Focus®). Электрический сигнал, полученный после гетеродинирования, вводился в анализатор сигналов (N9030PXA, Keysight®), и был представлен спектр дифференциальной частоты сигнала. С другой стороны, комбинированный оптический спектр был считан с помощью анализатора оптического спектра (OSA; AQ6317B, Ando®).

Результаты

Характеристики устройства постоянного тока

После завершения изготовления устройства можно проверить характеристики постоянного тока. На рис. 2а показаны типовые кривые мощность – ток – напряжение (L – I – V) для обычного DFB-лазера, изготовленного с использованием этой пластины. Пороговый ток может быть меньше 10 мА. Отдельные устройства имеют резонатор длиной 300 мкм и выходную мощность порядка милливатт. Решетка в структуре обеспечивает необходимую обратную связь и выбор режима, чтобы позволить лазеру работать в одномодовом режиме. Спектр мощности, наблюдаемый при включении трех лазеров, представлен на рис. 2б. Коэффициент подавления боковой моды более 50 дБ был измерен для случая одиночного DFB. Для успешного оптического гетеродинирования необходим благоприятный одномодовый режим. Когда оптические сигналы принимаются с двух сторон, S ₁ и S ₂ секции демонстрируют более сильный отклик по сравнению с откликом средней секции (M-секция), как показано на рис. 2b, из-за высокого отражения от центральных секций DBR, которые блокируют выходную мощность из M-секции. Интервал между оптическими модами можно изменять с помощью инжекционных электрических токов. Такая гибкость обеспечивает множество комбинаций трех режимов этих лазеров. На рис. 3 показаны оптические спектры, зависящие от тока. Все три пика можно регулировать, а расстояние между двумя пиками может иметь решающее значение для генерации радиочастотного сигнала. Когда два пика достаточно близки, между этими двумя длинами волн фотонов происходит четырехволновое смешение (FWM) [27]. Когда два пика находятся далеко друг от друга, эффект FWM отсутствует. FWM усиливается за счет нелинейной модуляции концентрации носителей в активной среде лазера [27]. Модуляция приводит к более сильному гетеродинному эффекту среди фотонов разных цветов и может производить более сильный выходной радиочастотный сигнал. На верхней кривой, представленной на рис. 3, в оптическом спектре генерируются несколько пиков из-за этого сильного взаимодействия FWM. Расстояние между пиками остается таким же, как и разница между двумя исходными смешанными частотами.

а Типовые кривые LIV DFB-лазера. б Оптический спектр с одним, двумя и тремя включенными РОС-лазерами

Оптический спектр трехсекционного лазера с эффектом ЧВВ и без него. В легенде представлена ​​текущая комбинация (в мА) S ₁ –M – S ₂ участок в каждом спектре

Широко настраиваемая одномодовая генерация RF

При изменении тока инжекции длина волны излучения DFB-лазера изменяется, как упоминалось выше. Таким образом, в этом устройстве соответственно меняется результат оптического гетеродинирования. Гетеродифицированный радиочастотный сигнал может быть измерен с помощью высокоскоростного фотоприемника [20]. Качество сигнала можно определить с помощью настройки PXA. На рис. 4а показаны подробные электрические спектры синтезированного ВЧ-сигнала. Одномодовый сигнал поднимается на 40,4 дБ выше минимального уровня шума, а пиковая интенсивность может достигать -20 дБ. Более точное разрешение на радиочастотном спектре раскрывает детали сигнала, и спектр может быть подогнан с использованием функции Лоренца для определения ширины линии. Обычная ширина линии составляет примерно от 12 до 16 МГц, как показано на рис. 4b. Индивидуальная ширина линии пика RF определяется суммированием ширины линии пиков DFB-лазеров, которая находится в диапазоне от 5 до 7 МГц в этой пластине. Одной из важных особенностей этой конструкции является широкополосная перестраиваемая генерация одномодового ВЧ сигнала. Комбинация трех лазерных тонов обеспечивает более широкий диапазон радиочастотного распространения. Одномодовый радиочастотный сигнал можно непрерывно настраивать от 2 до 45 ГГц.

Электрические спектры синтезированного радиосигнала. а Одномодовый радиочастотный сигнал. б Оценка ширины линии одномодового РЧ-сигнала

Работа в двойном радиочастотном режиме

Благодаря дополнительной третьей секции в лазере, интегрированное устройство может обеспечивать более сложные диаграммы направленности радиочастотного сигнала, чем лазеры с двумя секциями. Контролируемый двойной режим RF может быть полезной функцией для различных целей. В этом устройстве двойной режим возникает только тогда, когда три длины волны лазеров близки друг к другу. Когда эффект FWM может быть инициирован всеми тремя лазерами, наблюдаются два радиочастотных сигнала с разными частотами. На рис. 5 оптические и электрические спектры отображаются рядом, чтобы проиллюстрировать этот сценарий. На этом рисунке пики участков S ₁ и M близки к низкому текущему уровню. Таким образом, между S ₁ возникает сильная FWM. и M участков, и сильный пик РЧ создается на частоте около 7,86 ГГц (кривая A). Мы увеличили ток секции S ₁ чтобы сместить его пик в сторону секции S ₂ . Основная пиковая частота РЧ увеличивается, когда расстояние между S ₁ и участки M становятся большими (кривая B). Однако, поскольку пики S ₁ и S ₂ При сближении секций эффект гетеродинирования между этими двумя группами фотонов усиливается. Таким образом, на кривой C основной радиочастотный сигнал становится дифференциальной частотой S ₁ . и S ₂ . Более того, взаимодействие между S ₁ и M остается, и более слабый радиочастотный сигнал, соответствующий этому взаимодействию, наблюдается на частоте 21,6 ГГц. Путем дальнейшего увеличения тока до S ₁ , основной пик уменьшается по частоте, потому что пик секции S ₁ красный смещается к пику секции S ₂ . Между тем, второстепенный пик синего цвета смещается на более высокую частоту, потому что пик секции S ₁ уходит от пика секции M (трасса C до E).

Двойной режим а оптический и b Спектры ВЧ при различных комбинациях тока. Токи S ₂ и M остаются неизменными, в то время как ток в S ₁ сечение изменяется от 20 до 70 мА (показано на a ). В следе A λ _M <λ _S1 <λ _S2 , и последовательность принимает вид λ _M <λ _S2 <λ _S1 в следе H

На кривой F, G и H расстояние между пиками излучения секции S ₁ и M очень большой. Таким образом, между этими двумя секциями не происходит смешения, и S ₁ постепенно превосходит S ₂ когда ток S ₁ увеличена. Результирующий пик РЧ сначала уменьшается, а затем увеличивается по частоте. Это поведение аналогично ранее продемонстрированному двухсекционному лазеру.

Обсуждение

Влияние количества пар

DBR вставлен между лазерами, чтобы обеспечить оптическую изоляцию между полостями, чтобы обеспечить достаточное отражение между двумя гранями каждой секции DFB-лазера, чтобы увеличить вероятность получения одномодового излучения и, наконец, обеспечить достаточную электрическую изоляцию между ними. разделы. Если количество пар очень мало, тогда гальванической развязки может быть недостаточно для поддержания независимой перекачки между секциями. Поскольку сопротивление отдельного лазерного диода приблизительно равно или меньше 10 Ом, гальваническая изоляция составляет 10 ³ Ω или выше является предпочтительным. Более того, если количество пар DBR очень мало, отдельные секции не могут различать свои собственные коэффициенты отражения передней или задней грани, и это может привести к непредсказуемым режимам генерации в передней и задней секциях (S ₁ и S ₂ ). Для средней секции (секция M) меньшее количество пар РБО приводит к ухудшению резонансного состояния и низкому качеству резонатора, что приводит к отсутствию генерации вообще. И наоборот, если количество пар DBR слишком велико, центральная часть может генерировать множественный режим. Такая генерация приводит к очень слабому, иногда нулевому высокочастотному излучению.

Функция средней части

Из-за ограниченного диапазона FWM в наших двухсекционных устройствах пиковая настройка ВЧ иногда ограничивалась диапазоном от 20 до 30 ГГц. Двухсекционный лазер с сильной связью также может создавать множество сложных нелинейных режимов работы, таких как период 1 и хаос, как было продемонстрировано ранее [20]. Когда третья секция была вставлена ​​в лазерный чип, диапазон настройки был улучшен за счет дополнительного эффекта тепловой настройки устройств. Как показано на рис. 6, когда токи S ₁ и S ₂ секции фиксированы, линейно изменяющийся ток секции M может обеспечить дополнительное увеличение ВЧ настройки на 1,68 ГГц. Полученный пик секции M не вызывает сильного оптического смешения, и, таким образом, все основные RF-взаимодействия происходят между фотонами S ₁ и S ₂ разделы. Небольшое увеличение расстояния между пиками можно наблюдать и на трассах с большими входными токами участка М. В других устройствах было зарегистрировано увеличение RF до 3,82 ГГц. Это дополнительное изменение синтезированной радиочастоты из-за дополнительного тока секции M может сделать непрерывную настройку более возможной в трехсекционном лазере. Сравнение I _M значения 0 и 65 мА в конкретном устройстве обеспечивают разницу в 7,52 ГГц (Δ f =42,81 ГГц для I _M =65 мА, и Δ f =35,29 ГГц для I _M =0) в диапазоне настройки. Как правило, можно добавить диапазон настройки в несколько ГГц, когда секция M активируется электрически, и изменение комбинаций токов может суммировать и значительно увеличить общий диапазон настройки. Это явление можно объяснить неодинаковой температурной зависимостью отдельных устройств от длины волны. Неравенство обусловлено такими факторами, как локальное изменение легирования, неразрезанная область ФИП (вызывающая утечку) и нелинейная зависимость длины волны излучения от тока. В большинстве случаев пиковая частота RF имеет тенденцию к увеличению при активации третьей секции.

Оптический спектр трехсекционного лазера с двумя боковыми участками (S ₁ и S ₂ ) с фиксированными входами. Ток, подаваемый в среднюю часть (M), увеличивается от 0 до 70 мА. На вставке представлена ​​соответствующая частота увеличения RF

Работа в одном или двух режимах

Анализ работы трехсекционного лазера на первый взгляд кажется сложным. В этом абзаце мы рассмотрим фундаментальную проблему, будет ли устройство работать в одиночном или двойном режиме. На рисунке 7 представлены два наиболее распространенных режима работы нашего трехсекционного лазера. Взаимное расположение в оптической области показало, что рассматривались два случая:в первом случае третий пик находился далеко от двух оставшихся пиков. Во втором случае третий пик был активно близок к пикам в S ₁ и S ₂ разделы. В первом случае, который показан на рис. 7а, фотоны, которые находятся далеко (пик участка M), очень мало взаимодействуют с двумя другими пиками (пики S ₁ и S ₂ разделы). Только пики S ₁ и S ₂ сечения достаточно близки, чтобы проявить эффект ЧВВ. В этом состоянии трехсекционный лазер действует как ранее продемонстрированный двухсекционный лазер, и один высокочастотный пик генерируется путем смешивания пиков S ₁ и S ₂ разделы. Функция пика секции M состоит в том, чтобы обеспечить расширение или уменьшение пика RF на основе тепловых длин волн секций DFB. Во втором случае, показанном на рис. 7б, три пика расположены близко друг к другу. Этот случай более сложный. Близость длин волн фотонов вызывает возникновение эффекта FWM, и из-за этого явления может генерироваться более одной дифференциальной частоты. Таким образом, две верхние комбинации среди S ₁ , S ₂ , и секции M обеспечивают составляющие компоненты в радиочастотном спектре, и лазер может работать в двойном радиочастотном режиме. Однако, как только один из FWM ослабляется разделением пиков из-за подачи тока, устройство возвращается в одиночный режим.

Исчерпывающая схема режимов работы трехсекционных РОС-лазеров: а Один пик находится далеко, а два других - близко друг к другу, и b все три пика близки друг к другу

Выводы

Для генерации ВЧ был изготовлен трехсекционный лазер. В этом лазере между секциями размещалось 2,5 пары РБО InP / воздух. Этот многосекционный лазер обеспечивает одномодовый радиочастотный сигнал с возможностью настройки в диапазоне от 2 до 45 ГГц. Дополнительная третья секция обеспечивает тепловую настройку для этой одномодовой работы, а также важна для работы в двойном ВЧ-режиме. Явление сильного FWM наблюдалось из оптических спектров и было подтверждено проведением измерения пика RF. Модель сдвига длины волны в зависимости от тока может применяться для проверки RF. Предлагаемый трехсекционный лазер обеспечивает увеличение диапазона настройки ВЧ на 21,3% по сравнению с диапазоном двухсекционного лазера. В дополнение к одномодовой работе, двухмодовый радиочастотный сигнал также был продемонстрирован, когда длины волн трех лазеров близки друг к другу. Радиочастотные частоты в двухрежимном режиме работы могут быть изменены путем подачи постоянного тока в любую из секций. Мы полагаем, что предложенный лазер будет полезен для улучшения характеристик будущих микроволновых фотонных устройств и получения высокоэффективной микроволновой фотонной сети.

Доступность данных и материалов

Все данные и материалы в рукописи доступны.

Сокращения

DBR:

Распределенные брэгговские отражатели

RF:

Радиочастота

AWG:

Решетка на массивном волноводе

BWO:

Обратные осцилляторы

DFB:

Распределенная обратная связь

FIB:

Сфокусированный ионный пучок

PD:

Фотоприемник

OSA:

Анализатор оптического спектра

FWM:

Четырехволновое смешение