Монолитный трехсекционный DFB-лазер обеспечивает генерацию одиночных/двойных RF-сигналов в широком диапазоне

Аннотация

Изготовлен и проанализирован трехсекционный распределенного обратной связи (DFB) лазер с 2,5 парами распределенных брагговских отражателей (DBR) InP/воздух в термиках способности к генерации микроволн. Широко настраиваемый одиночный радиочастотный (RF) сигнал детектируется оптической гетеродинированием, диапазон настройки — от 2 до 45 ГГц. Включение третьей секции дает возможность двойной RF-работы, когда три пика излучения близки в волновой области. Предложенное дизайн дает 21,3% увеличение диапазона RF-настройки по сравнению с двухсекционным лазером (35,29 ГГц против 42,81 ГГц). Компактность устройства полезна для будущих радио-волоконных приложений.

Введение

С появлением будущих беспроводных технологий развертывание сотовых сетей перешло в новую эру: требуется большое количество микро- или нано-базовых станций, ожидается энергоэффективная микроволновая передача [1, 2]. Для построения этой инфраструктуры нужен хороший микроволновый источник. Ранее предлагали методы генерации микроволн (X/Ka-диапазоны). Электронно-лучевые и назад-волновые осцилляторы (BWO) дают высокую интенсивность (сотни МВт–ГВт), применяются в радарах, ДЗЗ, связях, плазменных исследованиях [3–5]. Но сложно настраивать частоту — она предопределена фиксированной волноводной структурой размера мм–см. Другой метод — перехваченный электронный эффект в диоде Ганна [6–9]. Полупроводниковый диод Ганна привлекателен размером (десятки мкм–субмкм) и мощностью (мВт–десятки мВт). Но требует дополнительной схемы для хорошего сигнала и имеет ограниченную настройку частоты, ограниченную временем транзита носителей [10].

Будущие базовые станции требуют не только высокой эффективности, но и малого размера и массового развертывания. Малая архитектура станции и массивные MIMO системы демонстрируют потребность в микроволновой фотонике [11]. Фотонные устройства и инфраструктура снижают сложность сети, увеличивают дальность передачи, повышают безопасность. Комбинация пикозелля (малая ячейка) и волоконной сети эффективно передает большие объемы данных на большие расстояния [12]. Нужен другой тип фотонного устройства для генерации сильного RF-сигнала с высокой настройкой и многозадачностью. Предлагали инжекционно-блокированные лазерные системы для узкополосной RF-генерации [13]. Гетеродинирование нескольких лазеров с оптической фазовой закрепленной петлей использовали для генерации высококачественных одиночных/двойных RF-каналов [14–16]. Интеграция нескольких лазеров для микроволновой генерации реализована через интеграцию решетчатых волноводов (AWG) [17] и последовательно каскадные программируемые контроллеры прерываний [18]. Все эти работы опирались на точно выровненную оптику и множественные лазерные источники.

Для дальнейшего уменьшения размера системы необходим интегрированный дизайн. Интегрированная микроволновая фотоническая генерация — хороший кандидат [18], потому что: (а) размер чипа масштабируется как Si-площадки (десятки–сотни мкм, дальнейшее уменьшение возможно); (б) фотонное смешивание дает лучшие RF-сигналы (инжекционная блокировка сильно снижает фазовый шум [19]); (в) внешний электрический ток для широкой настройки RF. Регулировка токов впрыска позволяет легко реализовать широкий диапазон частот через различные фотонные взаимодействия (изменение преломления, оптическая гетеродинировка) [20, 21]. Разнообразие фотонных свойств делает фотонный чип универсальным для настройки частоты. Для использования этих преимуществ разные цвета когерентных фотонов должны быть интегрированы в чипе. В этом исследовании впервые разработан трехсекционный DFB-лазер с DBR оптической изоляцией. Лазер работает как настраиваемый RF-носитель или как носитель и источник данных с двумя RF-тонами. Характеристики интегрированного устройства полностью изучены, и мы считаем, что оно полезно для будущей микроволновой фотонической интеграции.

Методы

Фабрикация устройства

Площадки выращивали металлоорганическим химическим осаждением из паров (MOCVD). InGaAsP квантовые ямы — активная область, целевая длина волны ~1550 нм. Решетки DFB-лазеров делали электронно-лучевой литографией. После эпитаксии площадку обрабатывали стандартными полупроводниковыми процессами: осаждение пленок, сухое/мокрое травление, металлизация [21]. Площадку разжимали до 100 мкм и полировали для обратного металлического контакта (AuGe/Ni/Au). Далее раскрой на бруски и дробление на чипы для упаковки, размер чипа 250×900 мкм². Интегрированный лазерный чип монтировали на керамическую подложку и проводяной связью для зондирования и тестирования. Воздух/полупроводник DBR травили нанофокусированным ионным пучком (FIB, Tescan GAIA3). FIB использует ускоренные ионы Ga (30 кэВ, 0,4 нА) для травления целевого полупроводника (InP или Si). С нанометровой точностью FIB реализует межсекционные DBR для трехсекционного лазера. DBR состоит из воздуха и InP секций шириной 1162 нм (воздух) и 584 нм (InP). Глубина травления 7 мкм. Скорость травления FIB оптимизировали до 33 нм/с для контроля шероховатости границы воздух/полупроводник. Рис. 1 показывает схему и SEM готовое устройство. 2,5 пары воздух/InP DBR между секциями обеспечивают высокую оптическую отражательную способность и электрическую изоляцию, деля чип на три секции: S₁, M, S₂ (Рис. 1). Используем нотацию от инжекционно-блокированных лазеров: мастер и слейв для накачиваемого и накачивающего устройств.

Оптическая гетеродинировка

Оптическая гетеродинировка — метод генерации RF-сигнала во многих микроволновых фотонных структурах [22, 23]. Генерирует настраиваемый RF-сигнал смешением разных длин волн фотонов [24, 25]. Определим два сигнала E₁ и E₂:

E₁ = E₀₁(ω₁t + φ₁), E₂ = E₀₂(ω₂t + φ₂), где E₀₁, E₀₂ — амплитуды, ω₁, ω₂ — частоты, φ₁, φ₂ — фазы.

Интенсивность суммарного сигнала Iₜ = (E₁+E₂)² = E₀₁²cos²(ω₁t+φ₁) + E₀₂²cos²(ω₂t+φ₂) + E₀₁E₀₂{cos[(ω₁+ω₂)t+(φ₁+φ₂)] + cos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]}. При измерении высокочастотные члены (ω₁, ω₂, ω₁+ω₂) выше пределов детектора фото-детектора. Детектируемый RF-сигнал на частоте:

Δf = c(1/λ₁ - 1/λ₂)

В текущем устройстве фотоны множественных длин волн генерируются одновременно, гетеродинирование происходит на разных частотах одновременно. Длина волны излучения каждого лазера управляется током впрыска, различные комбинации токов дают одиночные и двойные RF-выходные сигналы с одного устройства.

Измерительная система

Выходная мощность тщательно вводят в откалиброванный фото-детектор (PD) через волокно. Кончик волокна с фасеточной 8° для уменьшения отражения. Контроллер поляризации и изоляторы для минимизации обратной связи и максимизации мощности после гетеродинирования. Оптический эрбиевый усилитель — опционально, если сигнал достаточно сильный. Высокоскоростной фото-детектор (50 ГГц, u2tPhotonics®) или другой PD (1414, New Focus®) для детекции смешанного фотонного сигнала. Электрический сигнал после гетеродинирования подают в сигнальный анализатор (N9030PXA, Keysight®), представлен дифференциальный частотный спектр. Комбинированный оптический спектр считывают оптическим спектральным анализатором (OSA; AQ6317B, Ando®).

Результаты

DC-характеристики устройства

После фабрикации тестируют DC-характеристики. Рис. 2a — общие L-I-V кривые типичного DFB-лазера с этой площадки. Пороговый ток <10 мА. Индивидуальные устройства имеют 300-мкм резонатор и выходную мощность в мВт. Решетка обеспечивает необходимую обратную связь и выбор моды для однопольсовой работы. Оптический спектр при включении трех лазеров — Рис. 2b. Подавление боковых мод >50 дБ для одиночного DFB. Благоприятная однопольсовая работа важна для успешной оптической гетеродинировки. При излучении с двух сторон секции S₁ и S₂ дают более сильный отклик, чем средняя секция M, из-за высокого отражения центральных DBR, блокирующих выход M (Рис. 2b). Оптический интервал мод меняется токами впрыска, давая разнообразие комбинаций трех мод. Рис. 3 — токозависимые оптические спектры. Все три пика регулируются, интервал между двумя пиками критичен для RF-генерации. Когда два пика достаточно близки, происходит четырехволновая смесь (FWM) между этими длинами волн [27]. Когда далеко — нет FWM. FWM усиливается нелинейной модуляцией концентрации носителей в активной среде [27], ведет к более сильному гетеродинированию и более сильному RF-выходу. На верхней кривой Рис. 3 несколько пиков в спектре из-за сильного FWM. Интервал между пиками равен разнице двух исходных смешанных частот.

Широко настраиваемая одиночная RF-генерация

При изменении тока впрыска меняется длина волны DFB-лазера, следовательно, результат оптической гетеродинировки меняется. Гетеродинированный RF-сигнал измеряют высокоскоростным фото-детектором [20]. Качество сигнала идентифицируют PXA. Рис. 4a — детальные электрические спектры синтезированного RF-сигнала. Одиночный сигнал поднимается на 40,4 дБ над шумовым полом, пиковая интенсивность до –20 дБ. Более тонкое разрешение RF-спектра показывает детали, спектр аппроксимируют Лоранцевой функцией для определения ширины полосы. Типичная ширина ~12–16 МГц (Рис. 4b). Индивидуальная ширина RF-пика определяется суммой ширин пиков DFB-лазеров (5–7 МГц на этой площадке). Важная особенность — широко настраиваемая одиночная RF-генерация. Комбинация трех лазерных тонов дает более широкий RF-диапазон. Одиночный RF-сигнал можно непрерывно настраивать от 2 до 45 ГГц.

Работа в режиме двойного RF

Благодаря третьей секции интегрированное устройство дает более сложные RF-паттерны, чем двухсекционные лазеры. Двойной RF-режим управляемым образом — полезная особенность. В этом устройстве двойной режим возникает только когда три длины волны лазеров близки друг к другу. Когда FWM инициируется всеми тремя лазерами, наблюдают два RF-сигнала с разными частотами. Рис. 5 — оптические и электрические спектры рядом для иллюстрации. В трассе A пики S₁ и M близки при низком токе — сильный FWM между S₁ и M, сильный RF-пик ~7,86 ГГц. Увеличивают ток S₁ для красносмещения к S₂. Основной RF-пик повышается по частоте при увеличении разделения S₁ и M (трасса B). Но когда пики S₁ и S₂ сближаются, гетеродинирование между ними усиливается. В трассе C основной RF-сигнал становится разностной частотой S₁ и S₂. Взаимодействие S₁ и M остается, слабее RF-сигнал при 21,6 ГГц. Дальнейшее увеличение тока S₁: основной пик снижается по частоте (S₁ красносмещается к S₂), второстепенный пик голубеет к более высокой частоте (S₁ удаляется от M) (трассы C→E).

В трассах F, G, H расстояние между пиком S₁ и M очень велико — нет смешивания между ними, S₁ постепенно обгоняет S₂ при увеличении тока S₁. Полученный RF-пик сначала уменьшается, затем увеличивается по частоте. Это поведение аналогично ранее демонстрированному двухсекционному лазеру.

Обсуждение

Влияние числа пар DBR

DBR между лазерами обеспечивает: (1) оптическую изоляцию между резонаторами; (2) достаточное отражение между фасетами каждой секции DFB для повышения вероятности однопольсовой работы; (3) достаточное электрическое изолирование между секциями. Если пар мало — электрическая изоляция может быть недостаточной для независимого накачивания секций. Сопротивление отдельного лазерного диода ~≤10 Ом, нужна электрическая изоляция ≥10³ Ом. Если пар мало, секции не могут различать свои фасеты — непредсказуемые лазерные моды в S₁ и S₂. Для M-секции мало пар — плохой резонансный режим и низкая тонкость резонатора, ведет к отсутствию генерации. Если пар слишком много — центральная секция лазирует в многопольсовом режиме, давая очень малое или нулевое RF-выходное сигнал.

Функция средней секции

Из-за ограниченного FWM-диапазона в двухсекционных устройствах RF-пик иногда ограничен 20–30 ГГц. Сильно связанный двухсекционный лазер дает сложные нелинейные режимы (период-1, хаос) [20]. Вставка третьей секции улучшила диапазон настройки за счет дополнительного термического эффекта настройки. Рис. 6: при фиксированных токах S₁ и S₂ линейно меняющийся ток M дает дополнительное увеличение RF-настройки 1,68 ГГц. Пик M не вызывает сильное оптическое смешивание, все основные RF-взаимодействия между фотонами S₁ и S₂. Небольшое увеличение разделения пиков видно при высоких токах M. В других устройствах записан рост RF до 3,82 ГГц. Это дополнительное изменение синтезированной RF-частоты из-за тока M делает непрерывную настройку более выполнимой в трехсекционном лазере. Сравнение I_M = 0 и 65 мА дает разницу 7,52 ГГц (Δf = 42,81 ГГц при I_M=65 мА, Δf = 35,29 ГГц при I_M=0). В общем, несколько ГГц диапазона добавляется при электрической активации M-секции, изменение комбинаций токов накапливается и значительно увеличивает общий диапазон настройки. Явление объясняется неравным термическим коэффициентами длины волны в отдельных устройствах. Неравенство из-за локальных вариаций легирования, необработанных FIB-областей (утечка), нелинейной зависимости длины волны от тока. В большинстве случаев RF-пик имеет тенденцию увеличиваться при активации третьей секции.

Одиночный или двойной режим работы

Анализ трехсекционного лазера кажется сложным. Рис. 7 — два наиболее частых режима. Взаимное расположение в оптической области: случай 1 — третий пик далеко от двух других; случай 2 — третий пик активно близок к пикам S₁ и S₂. Случай 1 (Рис. 7a): фотоны M-секции далеко, мало взаимодействуют с S₁ и S₂. Только S₁ и S₂ достаточно близки для FWM. Трехсекционный лазер работает как двухсекционный — одиночный RF-пик от смешивания S₁ и S₂. Пик M дает расширение или сокращение RF-пика на основе термических коэффициентов DFB-секций. Случай 2 (Рис. 7b): три пика близки. Близость длин волн вызывает FWM, генерируется более чем одна разностная частота. Две верхние комбинации среди S₁, S₂, M дают составляющие RF-спектра — лазер работает в двойном RF-режиме. Но как только один FWM ослабевает из-за разделения пиков при впрыске тока, устройство возвращается к одиночному режиму.

Заключение

Изготовлен трехсекционный лазер для RF-генерации. В лазере 2,5 пары InP/воздух DBR между секциями. Многосекционный лазер дает одиночный RF-сигнал с высокой настройкой 2–45 ГГц. Дополнительная третья секция обеспечивает термическую настройку для одиночного режима и необходима для двойного RF-режима. Наблюдается сильный FWM в оптических спектрах, подтвержденный RF-измерениями. Токозависимая модель смещения длины волны применима для верификации RF. Трехсекционный лазер дает 21,3% увеличение диапазона RF-настройки vs двухсекционный. Помимо одиночного режима, продемонстрирован двойной RF-режим когда длины волн трех лазеров близки. RF-частоты в двойном режиме модифицируются прямым впрыском тока в любую секцию. Мы считаем, что предложенный лазер полезен для улучшения производительности будущих микроволновых фотонных устройств и получения высокоэффективной микроволновой фотонной сети.

Доступность данных и материалов

Все данные и материалы в рукописи доступны.

Аббревиатуры

DBR:

Распределенные брагговские отражатели (Distributed Bragg reflectors)

RF:

Радиочастота (Radiofrequency)

AWG:

Решетчатый волновод (Arrayed waveguide grating)

BWO:

Назад-волновые осцилляторы (Backward oscillators)

DFB:

Распределенная обратная связь (Distributed feedback)

FIB:

Фокусированный ионный пучок (Focused ion beam)

PD:

Фото-детектор (Photodetector)

OSA:

Оптический спектральный анализатор (Optical spectrum analyzer)

FWM:

Четырехволновая смесь (Four-wave mixing)