Laser DFB de Três Seções Monolítico Permite Geração de RF Único/Dual de Ampla Faixa

Resumo

Um laser de realimentação distribuída (DFB) de três seções com 2,5 pares de refletores de Bragg distribuídos (DBRs) InP/ar foi fabricado e analisado em termos de sua capacidade de geração de micro-ondas. Um sinal de radiofrequência (RF) único amplamente sintonizável pode ser detectado usando heterodinação óptica, e a faixa de sintonização é de 2 a 45 GHz. A incorporação da terceira seção proporciona oportunidade para apresentar operação RF dual quando três picos de emissão estão próximos no domínio do comprimento de onda. O design proposto fornece aumento de 21,3% na faixa de sintonização RF comparado com a faixa de um laser de duas seções (35,29 GHz versus 42,81 GHz). A compacidade do dispositivo proposto pode ser útil para futuras aplicações de rádio sobre fibra.

Introdução

Com o advento de futuras tecnologias sem fio inovadoras, a instalação de rede celular evoluiu para uma nova era: um grande número de micro ou nano estações-base são necessárias, e transmissão de micro-ondas energeticamente eficiente pode ser esperada. Para construir esta infraestrutura sem fio, uma boa fonte de micro-ondas é necessária. No passado, vários métodos foram propostos e demonstrados para gerar micro-ondas (como bandas X/Ka). Usando feixe de elétrons e osciladores retrógrados (BWO) pode fornecer alta intensidade de micro-ondas (geralmente na faixa de vários centenas de megawatts a até giga-watts), e são amplamente aplicados em radar, sensoriamento remoto, comunicações e ciências de plasma. No entanto, esta tecnologia é difícil de sintonizar a frequência de emissão porque é pré-determinada pela estrutura fixa de guia de onda, e o tamanho desta estrutura é geralmente em milímetro ou centímetro. Outro método é aplicar efeito de elétrons transferidos em diodo Gunn. A característica semicondutora do diodo Gunn é muito atrativa pois seu tamanho pode variar de dezenas de mícrons a até sub-mícrons. A potência de saída entregue também é impressionante: de vários a dezenas de miliwatts. Mas o dispositivo geralmente requer outros circuitos para fornecer bom sinal, e também tem sintonizabilidade de frequência limitada que é limitada pelo tempo de trânsito inerente de portadores através do comprimento do dispositivo.

Além destes métodos tradicionais, a futura estação-base sem fio requer não apenas alta eficiência mas também pequena pegada e implantação em grande escala. Uma arquitetura de estação pequena e implementação de sistema massivo de múltiplas entradas e múltiplas saídas demonstram necessidade de fotônica de micro-ondas. Dispositivos e infraestruturas fotônicas podem reduzir complexidade de rede, aumentar distância de transmissão e aumentar segurança de transmissão. Combinação de picocélula (célula pequena) e rede de fibra pode transmitir eficientemente grande quantidade de dados sobre longa distância. Portanto, um tipo diferente de dispositivo fotônico é necessário para realizar tais esquemas, especialmente para gerar sinal RF forte com alta sintonizabilidade e permitir multi-tarefas. Sistema de laser com injeção travada foi proposto para geração de RF de largura de linha estreita. Heterodinação de múltiplos lasers com loop de fase óptica travada foi usada para gerar sinais RF de canal único ou dual de alta qualidade e outros circuitos para fornecer bom sinal, e transmissão de dados pode ser mostrada nestes esquemas anteriormente. Integração de múltiplos lasers para geração de micro-ondas pode ser realizada usando integração de grade de guia de onda arrayado (AWG) e controlador de interrupção programável cascateado serial. Todos estes estudos confiaram em ópticas precisamente alinhadas e múltiplas fontes de laser para fornecer fótons suficientes para interagir.

Para reduzir ainda mais a pegada requerida do sistema, um design integrado é necessário. Considerando todos os métodos publicados anteriormente, acreditamos que geração integrada de micro-ondas fotônicas poderia ser boa candidata porque (a) o tamanho do chip pode ser reduzido similar a wafers de Si. O tamanho atual de nossos chips fotônicos pode variar de dezenas a centenas de mícrons, mas redução adicional de pegada é possível. (b) Mistura fotônica pode fornecer alguns dos melhores sinais RF em literaturas passadas. Por exemplo, usando esquema de travamento por injeção, o ruído de fase pode ser grandemente reduzido, que é muito importante para sinal RF. (c) Corrente elétrica externa para sinal RF amplamente sintonizável. Ajustando correntes de injeção, chips fotônicos de micro-ondas podem facilmente realizar ampla faixa de geração de frequência via várias interações de fótons como mudança de índice de refração ou heterodinação óptica, etc. A variedade de propriedades físicas de fótons torna chip fotônico muito versátil em termos de sintonização de frequência. Para utilizar plenamente as vantagens fotônicas mencionadas, diferentes cores de fótons coerentes devem ser capazes de ser integradas neste design de chip. Neste estudo, um laser DFB de três seções com isolamento óptico DBR foi desenvolvido pela primeira vez. O laser proposto pode operar como portadora RF sintonizável simples ou portadora e fonte de dados com dois tons RF. As características deste dispositivo integrado podem ser totalmente investigadas e analisadas, e postulamos que este dispositivo pode ser benéfico para futura integração de fotônica de micro-ondas.

Métodos

Fabricação do Dispositivo

Neste estudo, wafers foram primeiro crescidos usando sistema de deposição química de vapor metalorgânico. Poços quânticos InGaAsP foram usados como região ativa, e o comprimento de onda de laser alvo foi aproximadamente 1550 nm. As grades dos lasers DFB foram fabricadas usando litografia de feixe de elétrons. Após o procedimento epitaxial ser completado, o wafer foi processado com processos semicondutores padrão de deposição de filme, gravação seca/úmida e metalização descritos em [21]. O wafer foi afinado para 100 μm e polido para deposição de contato metálico traseiro (AuGe/Ni/Au) para finalizar todas as etapas de processamento. A próxima etapa seria cortar o wafer em barras e cortar as barras em chips para encapsulamento, e o tamanho do chip é 250 × 900 μm². O chip de laser integrado foi anexado em submontagem cerâmica e wire bonded para sondagem e teste. Um refletor de Bragg distribuído ar/semicondutor foi gravado usando sistema de feixe de íons focalizado em nanoescala (FIB) (modelo Tescan GAIA3). Tecnologia FIB emprega íons Ga acelerados com energia de 30 keV e corrente de feixe de 0,4 nA para bombardear semicondutor alvo (como InP ou Si) para fora. Com sua precisão em nanoescala, o sistema FIB pode realizar DBR inter-seção para o laser de três seções. O DBR é composto por seções de ar e InP com largura de 1162 nm para seção de ar e 584 nm para seção InP. A gravação mais profunda é 7 μm no wafer. Para controlar rugosidade interfacial de ar/semicondutor, otimizamos taxa de gravação FIB para 33 nm/s. A Figura 1 exibe o esquema e imagem SEM do dispositivo finalizado. Os 2,5 pares de DBRs ar/InP entre as seções podem fornecer tanto alta refletividade óptica quanto isolamento elétrico, e dividem um chip integrado em três seções: S₁, M e S₂, como mostrado na Fig. 1. Adaptamos a notação de lasers com injeção travada na qual lasers mestre e escravo são comumente usados para dispositivos de bombeamento e bombeados.

Heterodinação Óptica

Heterodinação óptica é método de geração de sinal RF em muitas estruturas fotônicas de micro-ondas. Esta técnica gera sinal RF sintonizável misturando diferentes comprimentos de onda de fótons. Primeiro, definimos dois sinais diferentes E₁ e E₂ como segue:

E₁ = E₀₁ cos(ω₁t + φ₁), E₂ = E₀₂ cos(ω₂t + φ₂), onde E₀₁ e E₀₂ são amplitudes, ω₁ e ω₂ são frequências, e φ₁ e φ₂ são fases correspondentes a E₁ e E₂, respectivamente. Então, a intensidade do sinal total de mistura I_t pode ser descrita como: I_t = (E₁ + E₂)² = E₀₁² cos²(ω₁t + φ₁) + E₀₂² cos²(ω₂t + φ₂) + E₀₁E₀₂{cos[(ω₁ + ω₂)t + (φ₁ + φ₂)] + cos[(ω₁ - ω₂)t + (φ₁ - φ₂)]}. Ao medir o sinal total, apenas o termo E₀₁E₀₂ × cos[(ω₁ - ω₂)t + (φ₁ - φ₂)] pode ser observado porque termos de alta frequência (como ω₁ e ω₂ e ω₁ + ω₂) estão acima do limite de detecção do fotodetector. O sinal RF final detectado é obtido na seguinte frequência: Δf = c(1/λ₁ - 1/λ₂). No dispositivo atual, fótons com múltiplos comprimentos de onda podem ser gerados simultaneamente de forma que heterodinação pode ocorrer em diferentes frequências simultaneamente. Como o comprimento de onda de emissão de cada laser pode ser controlado pela corrente de injeção, várias combinações de correntes podem fornecer sinais de saída RF único e dual do mesmo dispositivo. Estas condições são discutidas mais adiante no artigo.

Sistema de Medição

Para avaliar apropriadamente dispositivos laser, a potência de saída é cuidadosamente acoplada em fibra em fotodetector (PD) calibrado. A extremidade da fibra foi clivada em inclinação de 8° para reduzir reflexão de faceta. Controlador de polarização e isoladores adequados foram instalados para garantir feedback mínimo ao laser e potência máxima de saída após heterodinação. Amplificador de fibra dopado érbio é equipamento opcional que pode ser negligenciado se sinal for suficientemente forte. Fotodetector de alta velocidade (PD de 50 GHz, u2tPhotonics®, AG) ou outro PD (1414, New Focus®) foi usado para detectar sinal fotônico misto. O sinal elétrico obtido após heterodinação foi inserido em analisador de sinal (N9030PXA, Keysight®), e o espectro de frequência diferencial do sinal foi apresentado. Por outro lado, o espectro óptico combinado foi lido usando analisador de espectro óptico (OSA; AQ6317B, Ando®).

Resultados

Características DC do Dispositivo

Uma vez completada fabricação do dispositivo, características DC podem ser testadas. Figura 2a exibe curvas genéricas de potência-corrente-tensão (L-I-V) de laser DFB genérico fabricado usando este wafer. Corrente de limiar pode ser menor que 10 mA. Dispositivos individuais têm cavidade de 300 μm de comprimento e potência de saída na ordem de miliwatts. A grade na estrutura fornece realimentação necessária e seleção de modo para permitir laser operar em modo único. Espectro de potência observado quando os três lasers são ligados é apresentado na Fig. 2b. Razão de supressão de modo lateral alta maior que 50 dB foi medida para caso DFB único. Operação favorável de modo único é essencial para heterodinação óptica ser bem-sucedida. Quando sinais ópticos são tomados dos dois lados, as seções S₁ e S₂ exibem resposta mais forte comparada com resposta da seção do meio (seção M), como apresentado na Fig. 2b devido à alta reflexão das seções DBR centrais que bloqueiam potência de saída da seção M. O espaçamento de modo óptico pode ser alterado usando correntes de injeção elétricas. Esta flexibilidade fornece variedade de combinações dos três modos destes lasers. Figura 3 exibe espectros ópticos dependentes de corrente. Todos os três picos podem ser ajustados, e o espaçamento entre dois picos pode ser crítico para geração de sinal RF. Quando dois picos estão suficientemente próximos, mistura de quatro ondas (FWM) ocorre entre estes dois comprimentos de onda de fótons. Quando dois picos estão distantes, nenhum efeito FWM está presente. O FWM realça da modulação não linear de concentração de portadores no meio de ganho do laser. A modulação leva a efeito de heterodinação mais forte entre diferentes cores de fótons e pode produzir sinal de saída RF mais forte. Na curva superior apresentada na Fig. 3, vários picos são gerados no espectro óptico devido a esta forte interação FWM. O espaçamento entre os picos ainda é o mesmo que a diferença entre as duas frequências mistas originais.

Geração de RF de Modo Único Amplamente Sintonizável

Quando a corrente de injeção varia, o comprimento de onda de emissão do laser DFB varia, como mencionado. Assim, o resultado de heterodinação óptica muda adequadamente neste dispositivo. O sinal RF heterodinado pode ser medido usando fotodetector de alta velocidade. A qualidade do sinal pode ser identificada usando configuração PXA. Figura 4a exibe espectros elétricos detalhados do sinal RF sintetizado. O sinal de modo único sobe 40,4 dB acima do piso de ruído, e a intensidade de pico pode ser tão alta quanto -20 dB. A resolução mais fina no espectro RF revela detalhes do sinal, e o espectro pode ser ajustado usando função Lorentziana para determinar largura de linha. A largura de linha usual é aproximadamente 12 a 16 MHz, como mostrado na Fig. 4b. A largura de linha individual do pico RF é definida pela adição das larguras de linha dos picos dos lasers DFB, que variam de 5 a 7 MHz neste wafer. Uma das características importantes deste design é a geração de RF de modo único amplamente sintonizável. A combinação dos três tons de laser fornece faixa de distribuição RF mais ampla. Um sinal RF de modo único pode ser continuamente sintonizado de 2 a 45 GHz.

Operação de Modo RF Dual

Devido à terceira seção adicional no laser, o dispositivo integrado pode fornecer padrões de sinal RF mais complicados que lasers com duas seções. O modo dual RF de maneira controlável poderia ser característica favorável para vários propósitos. Neste dispositivo, o modo dual ocorre apenas quando os três comprimentos de onda dos lasers estão próximos entre si. Quando efeito FWM pode ser iniciado por todos os três lasers, dois sinais RF com diferentes frequências são observados. Na Fig. 5, tanto espectros ópticos quanto elétricos são exibidos lado a lado para ilustrar este cenário. Nesta figura, os picos das seções S₁ e M estão próximos no nível de corrente baixo. Assim, forte FWM ocorre entre seções S₁ e M, e forte pico RF é produzido em torno de 7,86 GHz (traço A). Aumentamos a corrente da seção S₁ para deslocar seu pico para vermelho em direção à seção S₂. A frequência do pico RF principal aumenta quando a separação entre seções S₁ e M torna-se grande (traço B). No entanto, à medida que os picos das seções S₁ e S₂ se aproximam, o efeito de heterodinação entre estes dois grupos de fótons cresce mais forte. Assim, no traço C, o sinal RF principal torna-se a frequência diferencial de S₁ e S₂. Além disso, a interação entre S₁ e M permanece, e sinal RF mais fraco correspondente a esta interação é observado a 21,6 GHz. Ao aumentar ainda mais a corrente para S₁, o pico principal diminui em frequência porque o pico da seção S₁ desloca para vermelho em direção ao pico da seção S₂. Enquanto isso, o pico menor desloca para azul para frequência mais alta porque o pico da seção S₁ se afasta do pico da seção M (traço C para E).

Nos traços F, G e H, a distância entre pico de emissão da seção S₁ e M é muito grande. Assim, nenhuma mistura ocorre entre estas duas seções, e S₁ gradualmente ultrapassa S₂ quando corrente de S₁ é aumentada. O pico RF resultante primeiro reduz e então aumenta em termos de frequência. Este comportamento é similar ao laser de duas seções demonstrado anteriormente.

Discussão

Efeito do Número de Pares

O DBR é inserido entre os lasers para fornecer isolamento óptico entre cavidades, fornecer reflexão suficiente entre as duas facetas de cada seção do laser DFB para aumentar probabilidade de obter emissão de modo único, e finalmente, fornecer isolamento elétrico suficiente entre as seções. Se o número de pares for muito pequeno, o isolamento elétrico pode não ser suficiente para manter bombeamento independente entre as seções. Como a resistência de um diodo laser individual é aproximadamente igual ou menor que 10 Ω, isolamento elétrico de 10³ Ω ou superior é preferido. Além disso, se o número de pares DBR for muito pequeno, as seções individuais não podem diferenciar suas próprias refletividades de faceta frontal ou traseira, e isto pode levar a modos de laser imprevisíveis nas seções frontal e traseira (S₁ e S₂). Para a seção do meio (seção M), menos pares de DBRs causam condição ressonante inferior e finura de cavidade baixa, levando a nenhum laser. Inversamente, se o número de pares DBR for muito grande, a seção central pode laser em modo múltiplo. Tal laser causa muito pouca, às vezes zero, saída RF.

Função da Seção do Meio

Devido à faixa FWM limitada em nossos dispositivos de duas seções, o pico RF de sintonização às vezes estava limitado entre 20 e 30 GHz. O laser de duas seções fortemente acoplado também pode produzir muitos modos complicados de operação não linear como período 1 e caos, como demonstrado anteriormente. Quando a terceira seção foi inserida no chip de laser, a faixa de sintonização foi melhorada devido ao efeito extra de sintonização térmica dos dispositivos. Como mostrado na Fig. 6, quando as correntes das seções S₁ e S₂ são fixadas, a corrente variável linearmente da seção M pode fornecer aumento adicional na sintonização RF de 1,68 GHz. O pico obtido da seção M não causa forte mistura óptica, e assim, todas as interações RF principais são entre fótons das seções S₁ e S₂. Leve aumento na separação de pico também pode ser observado nos traços com altas correntes de entrada da seção M. Em outros dispositivos, aumento no RF de até 3,82 GHz foi registrado. Esta mudança adicional na frequência RF sintetizada devido à corrente extra da seção M pode tornar sintonização contínua mais viável no laser de três seções. Comparação entre valores I_M de 0 e 65 mA em dispositivo específico fornece diferença de 7,52 GHz (Δf = 42,81 GHz para I_M = 65 mA, e Δf = 35,29 GHz para I_M = 0) na faixa de sintonização. Em geral, vários GHz de faixa de sintonização podem ser adicionados quando seção M é ativada eletricamente e a mudança de combinações de corrente pode somar e aumentar consideravelmente a faixa de sintonização geral. Este fenômeno pode ser atribuído a dependência térmica-comprimento de onda desigual nos dispositivos individuais. A desigualdade é devida a fatores como variação de dopagem local, região FIB não cortada (causando vazamento), e dependência não linear da corrente do comprimento de onda de emissão. Na maioria dos casos, a frequência do pico RF tende a aumentar quando a terceira seção é ativada.

Operação de Modo Único ou Dual

A análise da operação do laser de três seções aparece complicada à primeira vista. Neste parágrafo, trazemos perspectiva a uma preocupação fundamental, se o dispositivo operará em modo único ou dual. Figura 7 apresenta os dois modos mais comuns de operação de nosso laser de três seções. As localizações mútuas no domínio óptico revelaram que dois casos foram considerados: no primeiro caso, o terceiro pico estava longe dos dois picos restantes. No segundo caso, o terceiro pico estava ativamente próximo aos picos nas seções S₁ e S₂. No primeiro caso, mostrado na Fig. 7a, os fótons que estão longe (pico da seção M) têm muito poucas interações com os outros dois picos (picos das seções S₁ e S₂). Apenas os picos das seções S₁ e S₂ estão suficientemente próximos para exibir efeito FWM. Nesta condição, o laser de três seções age como o laser de duas seções demonstrado anteriormente e um único pico RF é gerado misturando picos das seções S₁ e S₂. A função do pico da seção M é fornecer extensão ou redução do pico RF baseada nos coeficientes térmicos-comprimento de onda das seções DFB. No segundo caso mostrado na Fig. 7b, os três picos estão próximos entre si. Este caso é mais complicado. A proximidade de comprimentos de onda de fótons promove geração do efeito FWM, e mais de uma frequência diferencial pode ser gerada devido a este fenômeno. Assim, as duas principais combinações entre as seções S₁, S₂ e M fornecem os componentes constituintes no espectro RF, e o laser pode operar no modo RF dual. No entanto, uma vez que um dos FWM é enfraquecido pela separação dos picos devido à injeção de corrente, o dispositivo retorna ao modo único.

Conclusões

Um laser de três seções foi fabricado para propósito de geração de RF. Neste laser, 2,5 pares InP/ar de DBRs foram colocados entre as seções. Este laser de múltiplas seções fornece sinal RF de modo único que tem alta sintonizabilidade de 2 a 45 GHz. A terceira seção adicional permite sintonização térmica para esta operação de modo único e também é essencial para operação de modo RF dual. Forte fenômeno FWM foi observado dos espectros ópticos e confirmado por medição de pico RF. Modelo de deslocamento de comprimento de onda dependente de corrente pode ser aplicado para verificação dos RFs. O laser de três seções proposto fornece aumento de 21,3% na faixa de sintonização RF comparado com faixa do laser de duas seções. Além da operação de modo único, sinal RF de modo dual também foi demonstrado quando comprimentos de onda dos três lasers estão próximos entre si. As frequências RF na operação de modo dual podem ser modificadas por injeção de corrente direta a qualquer das seções. Acreditamos que o laser proposto será útil para melhorar desempenho de futuros dispositivos fotônicos de micro-ondas e obter rede fotônica de micro-ondas altamente eficiente.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados e materiais no manuscrito estão disponíveis.

Abreviações

DBRs:

Refletores de Bragg distribuídos

RF:

Radiofrequência

AWG:

Grade de guia de onda arrayado

BWO:

Osciladores retrógrados

DFB:

Realimentação distribuída

FIB:

Feixe de íons focalizado

PD:

Fotodetector

OSA:

Analisador de espectro óptico

FWM:

Mistura de quatro ondas