Láser DFB monolítico de tres secciones permite generación RF simple/dual de amplio rango

Resumen

Se fabricó y analizó un láser de realimentación distribuida (DFB) de tres secciones con 2,5 pares de reflectores de Bragg distribuidos (DBR) InP/aire en términos de su capacidad de generación de microondas. Una señal de radiofrecuencia (RF) simple ampliamente sintonizable puede detectarse usando heterodino óptico, y el rango de sintonía es de 2 a 45 GHz. La incorporación de la tercera sección brinda la oportunidad de presentar operación RF dual cuando tres picos de emisión están cerca en el dominio de longitud de onda. El diseño propuesto proporciona una mejora del 21,3 % en el rango de sintonía RF comparado con el rango de un láser de dos secciones (35,29 GHz versus 42,81 GHz). La compacidad del dispositivo propuesto puede ser útil para futuras aplicaciones de radio sobre fibra.

Introducción

Con el advenimiento de futura tecnología inalámbrica novedosa, la instalación de red celular ha evolucionado a una nueva era: se requiere un gran número de micro o nano-estaciones base, y se puede esperar una transmisión de microondas eficiente en energía [1, 2]. Para construir esta infraestructura inalámbrica, una buena fuente de microondas es necesaria. En el pasado, se han propuesto y demostrado varios métodos para generar microondas (como bandas X/Ka). Usar haz de electrones y osciladores hacia atrás (BWO) puede proporcionar alta intensidad de microondas (usualmente en rango de varios cientos de megavatios a incluso gigavatios), y se aplican ampliamente en radar, teledetección, comunicaciones y ciencias del plasma [3,4,5]. Sin embargo, esta tecnología es difícil de sintonizar la frecuencia de emisión porque está pre-determinada por la estructura de guía de ondas fija, y el tamaño de esta estructura suele ser en milímetros o centímetros. Otro método es aplicar efecto de electrón transferido en diodo Gunn [6,7,8,9]. La característica semiconductora del diodo Gunn es muy atractiva ya que su tamaño puede variar desde decenas de micras a incluso sub-micras. La potencia de salida entregada también es impresionante: desde varios a decenas de milivatios. Pero el dispositivo usualmente requiere otro circuito para proporcionar buena señal, y también tiene una sintonizabilidad de frecuencia limitada que está limitada por el tiempo de tránsito de portadores inherente a lo largo de la longitud del dispositivo [10].

Además de estos métodos tradicionales, la futura estación base inalámbrica requiere no solo alta eficiencia sino también huella pequeña y despliegue a gran escala. Una arquitectura de estación pequeña y la implementación de un sistema masivo de entrada múltiple y salida múltiple demuestran la necesidad de fotónica de microondas [11]. Dispositivos e infraestructuras fotónicas pueden reducir la complejidad de una red, aumentar distancia de transmisión y mejorar seguridad de transmisión. Una combinación de picocelda (celda pequeña) y red de fibra puede transmitir eficientemente gran cantidad de datos a larga distancia [12]. Por tanto, un tipo diferente de dispositivo fotónico es necesario para realizar tales esquemas, especialmente para generar señal RF fuerte con alta sintonizabilidad y permitir multi-tarea. Un sistema láser inyectado-bloqueado fue propuesto para generación RF de ancho de línea estrecho [13]. Heterodino de múltiples láseres con bucle de fase óptica bloqueada se ha usado para generar señales RF de canal simple o dual de alta calidad y otro circuito para proporcionar buena señal, y transmisión de datos puede mostrarse en estos esquemas previos [14,15,16]. Integración de múltiples láseres para generación de microondas puede realizarse usando integración de rejilla de guía de ondas arrayada (AWG) [17] y controlador de interrupción programable en cascada serial [18]. Todos estos estudios han dependido de ópticas alineadas con precisión y múltiples fuentes láser para proporcionar fotones suficientes para interactuar.

Para reducir aún más la huella requerida del sistema, un diseño integrado es necesario. Considerando todos los métodos publicados previamente, creemos que la generación integrada de microondas fotónicas podría ser un buen candidato [18] porque (a) el tamaño del chip puede reducirse similar a wafers de Si. El tamaño actual de nuestros chips fotónicos puede variar desde decenas a cientos de micras, pero reducción adicional de huella es posible. (b) La mezcla fotónica puede proporcionar algunas de las mejores señales RF en literaturas previas. Por ejemplo, usando esquema de bloqueo por inyección, el ruido de fase puede reducirse grandemente, lo cual es muy importante para señal RF [19]. (c) Corriente eléctrica externa para señal RF ampliamente sintonizable. Ajustando corrientes de inyección, los chips fotónicos de microondas pueden realizar fácilmente amplio rango de generación de frecuencia via diversas interacciones de fotones como cambio de índice refractivo u heterodino óptico, etc. [20, 21]. La variedad de propiedades físicas de fotones hace chip fotónico muy versátil en términos de sintonía de frecuencia. Para aprovechar plenamente las ventajas fotónicas mencionadas, diferentes colores de fotones coherentes deben poder integrarse en este diseño de chip. En este estudio, se desarrolló por primera vez un láser DFB de tres secciones con aislamiento óptico DBR. El láser propuesto puede operar como portador RF sintonizable simple o como portador y fuente de datos con dos tonos RF. Las características de este dispositivo integrado pueden investigarse y analizarse completamente, y postulamos que este dispositivo puede ser benéfico para futura integración fotónica de microondas.

Métodos

Fabricación del dispositivo

En este estudio, los wafers primero se cultivaron usando un sistema de deposición química de vapor metalorgánico. Pozos cuánticos InGaAsP se usaron como región activa, y la longitud de onda de láser objetivo fue aproximadamente 1550 nm. Las rejillas de los láseres DFB se fabricaron usando litografía de haz de electrones. Tras completar el procedimiento epitaxial, el wafer se procesó con procesos semiconductores estándar de deposición de película, grabado seco/húmedo y metalización descritos en [21]. El wafer se adelgazó a 100 μm y pulió para deposición de contacto metálico posterior (AuGe/Ni/Au) finalizando todos los pasos de procesamiento. El siguiente paso sería cortar el wafer en barras y cortar las barras en chips para empaquetado, y el tamaño del chip es 250 × 900 μm². El chip láser integrado se fijó en un submontaje cerámico y se conectó por alambres para sondeo y prueba. Un reflector de Bragg distribuido aire/semiconductor se grabó usando sistema de haz de iones enfocado a nanoescala (FIB) (modelo Tescan no. GAIA3). La tecnología FIB emplea iones Ga acelerados con energía 30 keV y corriente de haz 0,4 nA para bombardear el semiconductor objetivo (como InP o Si). Con su precisión a nanoescala, el sistema FIB puede realizar el DBR entre secciones para el láser de tres secciones. El DBR está compuesto por secciones de aire e InP con ancho de 1162 nm para sección de aire y 584 nm para sección InP. El grabado más profundo es 7 μm en el wafer. Para controlar rugosidad interfacial de aire/semiconductor, optimizamos la tasa de grabado FIB a 33 nm/s. La Figura 1 muestra el esquemático e imagen SEM del dispositivo terminado. Los 2,5 pares de DBR aire/InP entre secciones pueden proporcionar tanto alta reflectividad óptica como aislamiento eléctrico, y dividen un chip integrado en tres secciones: S₁, M y S₂, como se muestra en Fig. 1. Adaptamos la notación de láseres inyectados-bloqueados en la que láseres maestro y esclavo son comúnmente usados para dispositivos de bombeo y bombeados.

Heterodino óptico

El heterodino óptico es un método de generación de señal RF en muchas estructuras fotónicas de microondas [22, 23]. Esta técnica genera una señal RF sintonizable mezclando diferentes longitudes de onda de fotones [24, 25]. Primero, definimos las dos señales diferentes E₁ y E₂ como sigue:

E₁ = E₀₁cos(ω₁t + φ₁)

E₂ = E₀₂cos(ω₂t + φ₂)

donde E₀₁ y E₀₂ son amplitudes, ω₁ y ω₂ son frecuencias, y φ₁ y φ₂ son fases correspondientes a E₁ y E₂, respectivamente. Luego, la intensidad de la señal total de mezcla I_t puede describirse como sigue [26]:

I_t = (E₁ + E₂)² = E₀₁²cos²(ω₁t + φ₁) + E₀₂²cos²(ω₂t + φ₂) + E₀₁E₀₂{cos[(ω₁ + ω₂)t + (φ₁ + φ₂)] + cos[(ω₁ − ω₂)t + (φ₁ − φ₂)]}

Al medir la señal total, solo el término E₀₁E₀₂ × cos[(ω₁ − ω₂)t + (φ₁ − φ₂)] puede observarse porque los términos de alta frecuencia (como ω₁ y ω₂ y ω₁ + ω₂) están por encima del límite de detección del fotodetector. La señal RF final detectada se obtiene en la siguiente frecuencia:

Δf = c (1/λ₁ − 1/λ₂)

En el dispositivo actual, fotones con múltiples longitudes de onda pueden generarse simultáneamente de modo que un heterodino puede ocurrir a diferentes frecuencias simultáneamente. Debido a que la longitud de onda de emisión de cada láser puede controlarse por la corriente de inyección, diversas combinaciones de corrientes pueden proporcionar señales de salida RF simple y dual desde el mismo dispositivo. Estas condiciones se discuten más adelante en el artículo.

Sistema de medición

Para evaluar apropiadamente dispositivos láser, la potencia de salida se acopla cuidadosamente en fibra a un fotodetector calibrado (PD). El extremo de fibra se cleavó con inclinación de 8° para reducir reflexión de faceta. Se instalaron controlador de polarización y aisladores apropiados para asegurar retroalimentación mínima al láser y máxima potencia de salida tras heterodino. Un amplificador de fibra dopado con erbio es un equipo opcional que puede descuidarse si la señal es suficientemente fuerte. Se usó un fotodetector de alta velocidad (PD 50-GHz, u2tPhotonics®, AG) u otro PD (1414, New Focus®) para detectar la señal fotónica mezclada. La señal eléctrica obtenida tras heterodino se introdujo en un analizador de señal (N9030PXA, Keysight®), y se presentó el espectro de frecuencia diferencial de la señal. Por otro lado, el espectro óptico combinado se leyó usando un analizador de espectro óptico (OSA; AQ6317B, Ando®).

Resultados

Características DC del dispositivo

Una vez completada la fabricación del dispositivo, se pueden probar las características DC. La Figura 2a muestra las curvas genéricas potencia-corriente-voltaje (L-I-V) de un láser DFB genérico fabricado usando este wafer. La corriente umbral puede ser menor a 10 mA. Los dispositivos individuales tienen cavidad de 300 μm de largo y potencia de salida en orden de milivatios. La rejilla en la estructura proporciona realimentación necesaria y selección de modo para permitir que el láser opere en modo único. El espectro de potencia observado cuando los tres láseres están encendidos se presenta en Fig. 2b. Se midió una relación de supresión de modo lateral alta mayor a 50 dB para el caso DFB único. La operación de modo único favorable es esencial para que el heterodino óptico sea exitoso. Cuando las señales ópticas se toman de los dos lados, las secciones S₁ y S₂ exhiben respuesta más fuerte comparada con la respuesta de la sección media (sección M), como se presenta en Fig. 2b debido a la alta reflexión de las secciones DBR centrales que bloquean la potencia de salida de la sección M. El espaciado de modo óptico puede cambiarse usando corrientes de inyección eléctricas. Esta flexibilidad proporciona variedad de combinaciones de los tres modos de estos láseres. La Figura 3 muestra los espectros ópticos dependientes de corriente. Los tres picos pueden ajustarse, y el espaciado entre dos picos puede ser crítico para generación de señal RF. Cuando dos picos están lo suficientemente cerca, ocurre mezcla de cuatro ondas (FWM) entre estas dos longitudes de onda de fotones [27]. Cuando dos picos están lejos, no hay efecto FWM presente. El FWM se realza por la modulación no lineal de concentración de portadores en el medio de ganancia láser [27]. La modulación conduce a efecto heterodino más fuerte entre diferentes colores de fotones y puede producir señal de salida RF más fuerte. En la curva superior presentada en Fig. 3, varios picos se generan en el espectro óptico debido a esta fuerte interacción FWM. El espaciado entre picos sigue siendo el mismo que la diferencia entre las dos frecuencias mezcladas originales.

Generación RF de modo único ampliamente sintonizable

Cuando la corriente de inyección varía, la longitud de onda de emisión del láser DFB varía, como se mencionó. Así, el resultado de heterodino óptico cambia accordingly en este dispositivo. La señal RF heterodineada puede medirse usando fotodetector de alta velocidad [20]. La calidad de la señal puede identificarse usando configuración PXA. La Figura 4a muestra espectros eléctricos detallados de la señal RF sintetizada. La señal de modo único se eleva 40,4 dB sobre el piso de ruido, y la intensidad de pico puede ser tan alta como −20 dB. La resolución más fina en el espectro RF revela detalles de la señal, y el espectro puede ajustarse usando función Lorentziana para determinar el ancho de línea. El ancho de línea usual es aproximadamente 12 a 16 MHz, como se muestra en Fig. 4b. El ancho de línea individual del pico RF se define por la adición de anchos de línea de picos de láseres DFB, que varían de 5 a 7 MHz en este wafer. Una de las características importantes de este diseño es la generación RF de modo único ampliamente sintonizable. La combinación de los tres tonos láser proporciona un rango de distribución RF más amplio. Una señal RF de modo único puede sintonizarse continuamente de 2 a 45 GHz.

Operación de modo RF dual

Debido a la tercera sección adicional en el láser, el dispositivo integrado puede proporcionar patrones de señal RF más complicados que láseres con dos secciones. El modo dual RF de manera controlable podría ser característica favorable para diversos propósitos. En este dispositivo, el modo dual ocurre solo cuando las tres longitudes de onda de los láseres están cerca entre sí. Cuando el efecto FWM puede iniciarse por los tres láseres, se observan dos señales RF con diferentes frecuencias. En Fig. 5, se muestran ambos espectros ópticos y eléctricos lado a lado para ilustrar este escenario. En esta figura, los picos de secciones S₁ y M están cerca a nivel de corriente bajo. Así, ocurre FWM fuerte entre secciones S₁ y M, y se produce un pico RF fuerte alrededor de 7,86 GHz (traza A). Aumentamos la corriente de sección S₁ para desplazar hacia rojo su pico hacia sección S₂. La frecuencia de pico RF principal aumenta cuando la separación entre secciones S₁ y M se vuelve grande (traza B). Sin embargo, a medida que los picos de secciones S₁ y S₂ se acercan, el efecto heterodino entre estos dos grupos de fotones crece más fuerte. Así, en traza C, la señal RF principal se convierte en la frecuencia diferencial de S₁ y S₂. Además, la interacción entre S₁ y M permanece, y se observa una señal RF más débil correspondiente a esta interacción a 21,6 GHz. Al aumentarさらに la corriente a S₁, el pico principal disminuye en frecuencia porque el pico de sección S₁ se desplaza hacia rojo hacia el pico de sección S₂. Mientras tanto, el pico menor se desplaza hacia azul a frecuencia más alta porque el pico de sección S₁ se aleja del pico de sección M (traza C a E).

En trazas F, G y H, la distancia entre pico de emisión de sección S₁ y M es muy grande. Así, no ocurre mezcla entre estas dos secciones, y S₁ gradualmente supera a S₂ cuando la corriente de S₁ aumenta. El pico RF resultante primero reduce y luego aumenta en términos de frecuencia. Este comportamiento es similar al láser de dos secciones demostrado previamente.

Discusión

Efecto del número de pares

El DBR se inserta entre láseres para proporcionar aislamiento óptico entre cavidades, proporcionar reflexión suficiente entre las dos facetas de cada sección del láser DFB para aumentar la probabilidad de obtener emisión de modo único, y finalmente, proporcionar aislamiento eléctrico suficiente entre secciones. Si el número de pares es muy pequeño, el aislamiento eléctrico podría no ser suficiente para mantener bombeo independiente entre secciones. Porque la resistencia de un diodo láser individual es aproximadamente igual o menor a 10 Ω, un aislamiento eléctrico de 10³ Ω o superior es preferido. Además, si el número de pares DBR es muy pequeño, las secciones individuales no pueden diferenciar sus propias reflectividades de faceta frontal o trasera, y esto puede llevar a modos de láser impredecibles en secciones frontal y trasera (S₁ y S₂). Para la sección media (sección M), menos pares de DBR causan condición resonante inferior y finura de cavidad baja, llevando a no láser en absoluto. Por el contrario, si el número de pares DBR es demasiado grande, la sección central puede láser en modo múltiple. Tal láser causa muy poca, a veces cero, salida RF.

Función de la sección media

Debido al rango FWM limitado en nuestros dispositivos de dos secciones, el pico RF de sintonía a veces estaba acotado entre 20 y 30 GHz. El láser de dos secciones fuertemente acoplado también puede producir muchos modos de operación no lineales complicados como período 1 y caos, como se demostró previamente [20]. Cuando se insertó la tercera sección en el chip láser, el rango de sintonía mejoró debido al efecto de sintonía térmica adicional de los dispositivos. Como se muestra en Fig. 6, cuando las corrientes de secciones S₁ y S₂ están fijas, la corriente linealmente variable de la sección M puede proporcionar aumento adicional en sintonía RF de 1,68 GHz. El pico obtenido de la sección M no causa mezcla óptica fuerte, y así, todas las interacciones RF principales son entre fotones de secciones S₁ y S₂. El ligero aumento en separación de pico también puede observarse en trazas con altas corrientes de entrada de la sección M. En otros dispositivos, un aumento en RF de hasta 3,82 GHz se registró. Este cambio adicional en frecuencia RF sintetizada debido a corriente extra de sección M puede hacer la sintonía continua más factible en láser de tres secciones. Una comparación entre valores I_M de 0 y 65 mA en un dispositivo específico proporciona diferencia de 7,52 GHz (Δf = 42,81 GHz para I_M = 65 mA, y Δf = 35,29 GHz para I_M = 0) en el rango de sintonía. En general, varios GHz de rango de sintonía pueden agregarse cuando la sección M se activa eléctricamente y el cambio de combinaciones de corriente puede sumarse y aumentar el rango de sintonía overall considerablemente. Este fenómeno puede atribuirse a dependencia desigual térmica-longitud de onda en dispositivos individuales. La desigualdad se debe a factores como variación de dopaje local, región FIB sin cortar (causando fuga), y dependencia no lineal de corriente de la longitud de onda de emisión. En la mayoría de casos, la frecuencia de pico RF tiende a aumentar cuando la tercera sección se activa.

Operación de modo único o dual

El análisis de la operación del láser de tres secciones aparece complicado al principio. En este párrafo, traemos perspectiva a una preocupación fundamental, si el dispositivo operará en modo único o dual. La Figura 7 presenta los dos modos de operación más comunes de nuestro láser de tres secciones. Las ubicaciones mutuas en el dominio óptico revelaron que se consideraron dos casos: en el primer caso, el tercer pico estaba lejos de los dos picos restantes. En el segundo caso, el tercer pico estaba activamente cerca de los picos en secciones S₁ y S₂. En el primer caso, mostrado en Fig. 7a, los fotones que están lejos (pico de sección M) tienen muy pocas interacciones con los otros dos picos (picos de secciones S₁ y S₂). Solo los picos de secciones S₁ y S₂ están lo suficientemente cerca para exhibir efecto FWM. En esta condición, el láser de tres secciones actúa como el láser de dos secciones demostrado previamente y un pico RF único se genera mezclando picos de secciones S₁ y S₂. La función del pico de sección M es proporcionar extensión o reducción del pico RF basado en coeficientes térmicos-longitud de onda de secciones DFB. En el segundo caso mostrado en Fig. 7b, los tres picos están cerca entre sí. Este caso es más complicado. La proximidad de longitudes de onda de fotones provoca generación de efecto FWM, y más de una frecuencia diferencial puede generarse debido a este fenómeno. Así, las dos combinaciones principales entre secciones S₁, S₂ y M proporcionan los componentes constituyentes en espectro RF, y el láser puede operar en modo RF dual. Sin embargo, una vez que uno de los FWM se debilita por separación de picos debido a inyección de corriente, el dispositivo retorna al modo único.

Conclusiones

Se fabricó un láser de tres secciones con el propósito de generación RF. En este láser, se colocaron 2,5 pares de DBR InP/aire entre secciones. Este láser de múltiples secciones proporciona una señal RF de modo único que tiene alta sintonizabilidad de 2 a 45 GHz. La tercera sección adicional habilita sintonía térmica para esta operación de modo único y también es esencial para operación de modo RF dual. Un fuerte fenómeno FWM se observó en espectros ópticos y se confirmó midiendo pico RF. El modelo de desplazamiento de longitud de onda dependiente de corriente puede aplicarse para verificación de RFs. El láser de tres secciones propuesto proporciona una mejora del 21,3 % en el rango de sintonía RF comparado con el rango del láser de dos secciones. Además de la operación de modo único, una señal RF de modo dual también se demostró cuando las longitudes de onda de los tres láseres están cerca entre sí. Las frecuencias RF en operación de modo dual pueden modificarse por inyección de corriente directa a cualquiera de las secciones. Creemos que el láser propuesto será útil para mejorar el rendimiento de futuros dispositivos fotónicos de microondas y obtener una red fotónica de microondas altamente eficiente.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos y materiales en el manuscrito están disponibles.

Abreviaturas

DBRs:

Reflectores de Bragg distribuidos

RF:

Radiofrecuencia

AWG:

Rejilla de guía de ondas arrayada

BWO:

Osciladores hacia atrás

DFB:

Realimentación distribuida

FIB:

Haz de iones enfocado

PD:

Fotodetector

OSA:

Analizador de espectro óptico

FWM:

Mezcla de cuatro ondas