由单片三段式 DFB 激光器产生的可广泛调谐的单/双射频信号

介绍

随着未来新型无线技术的出现，蜂窝网络的安装已经发展到一个新的时代：需要大量的微米或纳米级基站，可以期待高能效的微波传输[1, 2] ]。为了构建这种无线基础设施，一个好的微波源是必要的。过去，已经提出并证明了几种方法来产生微波（例如 X/Ka 波段）。使用电子束和后向振荡器（BWO）可以提供高强度的微波（通常在几百兆瓦到甚至千兆瓦的范围内），它们广泛应用于雷达、遥感、通信和等离子领域科学 [3,4,5]。但是，这种技术很难对发射频率进行调谐，因为它是由固定波导结构预先确定的，而这种结构的尺寸通常以毫米或厘米为单位。另一种方法是在耿氏二极管中应用转移电子效应 [6,7,8,9]。 Gunn 二极管的半导体特性非常吸引人，因为它的尺寸可以从几十微米到亚微米不等。提供的功率输出也令人印象深刻：从几毫瓦到几十毫瓦不等。但是该设备通常需要其他电路才能提供良好的信号，而且它的频率可调性也受到了设备长度上固有载波传输时间的限制[10]。

除了这些传统的方法，未来的无线基站不仅需要高效率，还需要小占地面积和大规模部署。小型站架构和大规模多输入多输出系统的实施证明了对微波光子学的需求 [11]。光子设备和基础设施可以降低网络的复杂性，增加传输距离，增强传输安全性。微微蜂窝（小蜂窝）和光纤网络的组合可以有效地长距离传输大量数据[12]。因此，需要不同类型的光子器件来实现此类方案，尤其是生成具有高可调性的强射频信号并实现多任务处理。一种注入锁定激光系统被提议用于窄线宽 RF 生成 [13]。具有光学锁相环的外差多激光器已被用于生成高质量的单通道或双通道 RF 信号和其他电路，以提供良好的信号，并且数据传输可以在之前的这些方案中显示 [14,15, 16]。使用阵列波导光栅 (AWG) 集成 [17] 和串行级联可编程中断控制器 [18]，可以实现用于微波生成的多激光器集成。所有这些研究都依赖于精确对准的光学器件和多个激光源来提供足够的光子进行相互作用。

为了进一步减少系统所需的占地面积，集成设计是必要的。考虑到之前发表的所有方法，我们认为集成微波光子生成可能是一个很好的候选者 [18]，因为 (a) 芯片的尺寸可以像硅晶片一样缩小。我们光子芯片的当前尺寸范围从几十微米到几百微米不等，但进一步减少占地面积是可能的。 (b) 光子混合可以提供一些过去文献中最好的射频信号。例如，通过使用注入锁定方案，可以大大降低相位噪声，这对射频信号非常重要[19]。 (c) 可广泛调谐的射频信号的外部电流。通过调整注入电流，微波光子芯片可以通过光子的各种相互作用，如折射率变化或光学外差等，轻松实现大范围的频率生成 [20, 21]。光子的各种物理特性使得光子芯片在频率调谐方面非常通用。为了充分利用上述光子优势，该芯片设计中应能够集成不同颜色的相干光子。在这项研究中，首次开发了具有 DBR 光隔离的三段分布式反馈 (DFB) 激光器。所提出的激光器既可以作为简单的可调谐 RF 载波，也可以作为具有两个 RF 音调的载波和数据源。该集成器件的特性可以得到充分的研究和分析，我们认为该器件有利于未来的微波光子集成。

方法

设备制造

在这项研究中，晶片首先使用金属有机化学气相沉积系统生长。 InGaAsP 量子阱用作有源区，目标激光波长约为 1550 nm。 DFB 激光器的光栅是使用电子束光刻制造的。外延程序完成后，晶圆用标准半导体工艺进行处理，如 [21] 中所述的薄膜沉积、干/湿蚀刻和金属化。将晶片减薄至 100 μm 并抛光以进行背面金属接触沉积 (AuGe/Ni/Au)，以完成所有处理步骤。下一步是将晶圆切割成条形，然后将条形切割成芯片进行封装，芯片尺寸为250 × 900 μm ² .集成的激光芯片安装在陶瓷底座上，并通过引线键合进行探测和测试。使用纳米级聚焦离子束 (FIB) 系统（Tescan 型号 GAIA3）蚀刻空气/半导体分布式布拉格反射器。 FIB 技术采用具有 30 keV 能量和 0.4 nA 束流的加速 Ga 离子轰击目标半导体（例如 InP 或 Si）。 FIB系统凭借其纳米级精度，可以实现三段式激光器的截面DBR。 DBR由空气和InP部分组成，空气部分的宽度为1162 nm，InP部分的宽度为584 nm。最深的蚀刻是晶圆的 7 μm。为了控制空气/半导体的界面粗糙度，我们将 FIB 蚀刻速率优化为 33 nm/s。图 1 显示了成品器件的示意图和 SEM 图像。部分之间的 2.5 对 air/InP DBR 可以提供高光反射率和电隔离，它们将集成芯片分为三个部分：S1、M 和 S2，如图 1 所示。注入锁定激光器，其中主从激光器通常用于泵浦和泵浦器件。

三段式DFB激光装置示意图和SEM图

光学外差

光外差是一种在许多微波光子结构中产生射频信号的方法 [22, 23]。该技术通过混合不同波长的光子来产生可调谐的射频信号 [24, 25]。首先，我们定义了两个不同的信号 E 1 和 E 2如下：

其中 E 01 和 E 02 是振幅，ω 1 和 ω 2 是频率，φ 1 和 φ 2 是对应于 E 的阶段 1 和 E 2、分别。那么，总混合信号的强度I t 可以描述如下[26]：

在测量总信号时，只有 E 01E 02 × cos[(ω1 − ω2)t + (φ1 − φ2)] 项可以被观察到，因为高频项（例如 ω 1 和 ω 2 和 ω 1 + ω 2) 高于光电探测器的检测限。最终检测到的射频信号在以下频率下获得：

在当前的设备中，可以同时产生具有多个波长的光子，从而可以同时以不同的频率发生外差。由于每个激光器的发射波长可以由注入电流控制，电流的各种组合可以提供来自同一设备的单路和双路射频输出信号。这些条件将在本文后面讨论。

测量系统

为了适当地评估激光设备，输出功率被小心地光纤耦合到校准的光电探测器 (PD) 中。光纤末端以 8° 倾斜切割，以减少小面反射。安装了偏振控制器和适当的隔离器，以确保外差后对激光器的反馈最小和输出功率最大。掺铒光纤放大器是一种可选设备，如果信号足够强，则可以忽略它。高速光电探测器（50 GHz PD，u2tPhotonics®，AG）或其他 PD（1414，New Focus®）用于检测混合光子信号。将外差后得到的电信号输入信号分析仪（N9030PXA，Keysight®），得到信号的差分频谱。另一方面，使用光谱分析仪（OSA；AQ6317B，Ando®）读取组合光谱。

结果

DC 设备特性

一旦器件制造完成，就可以测试直流特性。图 2a 显示了使用该晶片制造的通用 DFB 激光器的通用功率-电流-电压 (L-I-V) 曲线。阈值电流可以小于 10 mA。单个器件具有 300 微米长的腔体和毫瓦级的输出功率。结构中的光栅提供必要的反馈和模式选择，以允许激光器在单模下工作。打开三个激光器时观察到的功率谱如图 2b 所示。对于单个 DFB 情况，测得的高边模抑制比大于 50 dB。有利的单模操作对于光外差的成功至关重要。当从两侧获取光信号时，与中间部分（M 部分）的响应相比，S1 和 S2 部分表现出更强的响应，如图 2b 所示，因为来自中央 DBR 部分的高反射导致阻止来自 M 部分的输出功率。可以使用注入电流改变光模间距。这种灵活性为这些激光器的三种模式提供了多种组合。图 3 显示了电流相关的光谱。所有三个峰值都可以调整，两个峰值之间的间距对于 RF 信号的生成至关重要。当两个峰值足够接近时，这两个波长的光子之间会发生四波混合 (FWM) [27]。当两个峰相距很远时，不存在 FWM 效应。 FWM 增强了激光增益介质中载流子浓度的非线性调制 [27]。调制导致不同颜色光子之间的外差效应更强，可以产生更强的射频输出信号。在图 3 所示的顶部曲线中，由于这种强 FWM 相互作用，在光谱中产生了几个峰。峰之间的间距仍与两个原始混合频率之间的差异相同。

一 DFB 激光器的通用 LIV 曲线。 b 开启一、二、三 DFB 激光器的光谱

具有和不具有 FWM 效应的三段式激光器的光谱。图例显示了每个光谱中 S1–M–S2 部分的电流组合（以 mA 为单位）

广泛可调的单模射频生成

当注入电流发生变化时，DFB激光器的发射波长也会发生变化，如前所述。因此，在该设备中光学外差的结果相应地改变。可以使用高速光电探测器 [20] 测量外差 RF 信号。可以使用 PXA 设置来识别信号的质量。图 4a 显示了合成射频信号的详细电气频谱。单模信号比本底噪声上升 40.4 dB，峰值强度可高达 − 20 dB。 RF 频谱上的更精细分辨率揭示了信号的细节，并且可以使用洛伦兹函数拟合频谱以确定线宽。通常的线宽约为 12 到 16 MHz，如图 4b 所示。 RF 峰值的单个线宽是通过添加 DFB 激光器的峰值线宽来定义的，在该晶片中，其范围从 5 到 7 MHz。此设计的重要特性之一是可广泛调谐的单模 RF 生成。三种激光音调的组合提供了更宽的射频分布范围。单模射频信号可连续调谐2至45 GHz。

合成射频信号的电谱。 一 单模射频信号。 b 单模射频信号线宽估计

双射频模式操作

由于激光器中增加了第三部分，集成器件可以提供比具有两个部分的激光器更复杂的射频信号模式。以可控方式的双射频模式对于各种目的来说可能是一个有利的特征。在该设备中，双模仅在激光的三个波长彼此接近时才发生。当所有三个激光器都可以启动 FWM 效应时，观察到两个不同频率的 RF 信号。在图 5 中，并排显示了光学和电学光谱以说明这种情况。在该图中，S1 和 M 部分的峰值接近低电流水平。因此，在 S1 和 M 部分之间出现强 FWM，并在 7.86 GHz 附近产生强射频峰值（迹线 A）。我们增加了 S1 部分的电流，使其峰值向 S2 部分红移。当 S1 和 M 部分之间的间隔变大时，主要的 RF 峰值频率会增加（轨迹 B）。然而，随着 S1 和 S2 截面的峰越来越靠近，这两组光子之间的外差效应变得更强。因此，在迹线 C 中，主要的 RF 信号变成了 S1 和 S2 的差分频率。此外，S1 和 M 之间的相互作用仍然存在，并且在 21.6 GHz 处观察到与这种相互作用相对应的较弱射频信号。通过进一步增加 S1 的电流，主峰的频率降低，因为 S1 部分的峰值向 S2 部分的峰值红移。同时，由于S1部分的峰值远离M部分的峰值（迹线C到E），次要峰值蓝移到更高的频率。

双模a 光学和b 不同电流组合下的射频频谱。 S2和M段的电流保持不变，而S1段的电流在20到70 mA之间变化（如图a ）。在轨迹A中，λM<λS1<λS2，在轨迹H中序列变为λM<λS2<λS1

在迹线 F、G 和 H 中，截面 S1 和 M 的发射峰之间的距离非常大。因此，这两个部分之间不会发生混合，随着 S1 的电流增加，S1 逐渐超过 S2。由此产生的 RF 峰值首先降低，然后在频率方面增加。这种行为类似于之前演示的两段式激光器。

讨论

对数的影响

DBR插在激光器之间，在腔体之间提供光隔离，在DFB激光器每个部分的两个面之间提供足够的反射，以增加获得单模发射的可能性，最后，在各腔之间提供足够的电隔离部分。如果对的数量非常少，那么电气隔离可能不足以维持各部分之间的独立泵送。由于单个激光二极管的电阻大约等于或小于 10 Ω，因此电气隔离为 10 ³ Ω或更高是优选的。此外，如果 DBR 对的数量非常少，各个部分无法区分它们自己的正面或背面反射率，这会导致正面和背面部分（S1 和 S2）中的激光模式不可预测。对于中间部分（M 部分），较少的 DBR 对导致较差的谐振条件和低腔精度，从而导致根本没有激光。相反，如果 DBR 对的数量太大，中心部分可以在多模中发射激光。这种激光产生的射频输出很小，有时为零。

中段的功能

由于我们的两段式设备的 FWM 范围有限，RF 峰值调谐有时会在 20 到 30 GHz 之间。强耦合两段式激光器还可以产生许多复杂的非线性操作模式，如周期 1 和混沌，如先前所证明的 [20]。当第三部分插入激光芯片时，由于器件的额外热调谐效应，调谐范围得到改善。如图 6 所示，当 S1 和 S2 部分的电流固定时，M 部分的线性变化电流可以额外增加 1.68 GHz 的射频调谐。获得的 M 部分的峰值不会引起强烈的光学混合，因此，所有主要的 RF 相互作用都在 S1 和 S2 部分的光子之间。在 M 部分具有高输入电流的迹线上也可以观察到峰值分离的轻微增加。在其他设备中，记录的 RF 增加高达 3.82 GHz。由于额外的 M 段电流，合成 RF 频率的这种额外变化可以使三段激光器中的连续调谐更加可行。 I 之间的比较 特定设备中 0 和 65 mA 的 M 值提供了 7.52 GHz (Δf I =42.81 GHz M =65 mA，且Δf I =35.29 GHz M =0) 在调谐范围内。一般来说，当 M 部分被电激活时，可以增加几个 GHz 的调谐范围，电流组合的变化可以累加并显着增加整体调谐范围。这种现象可归因于单个器件中不相等的热波长依赖性。这种不平等是由于诸如局部掺杂变化、未切割的 FIB 区域（导致泄漏）以及发射波长的非线性电流依赖性等因素造成的。大多数情况下，激活第三段后，射频峰值频率趋于增加。

具有固定输入的两个侧面部分（S1 和 S2）的三部分激光器的光谱。注入中间部分 (M) 的电流从 0 增加到 70 mA。插图显示了RFs中相应的增加频率

单模或双模操作

三段式激光手术的分析起初看起来很复杂。在本段中，我们提出了一个基本问题，即设备将在单模式还是双模式下运行。图 7 展示了我们的三段式激光器的两种最常见的操作模式。光域中的相互位置表明考虑了两种情况：在第一种情况下，第三个峰远离其余两个峰。在第二种情况下，第三个峰主动靠近 S1 和 S2 部分的峰。在第一种情况下，如图 7a 所示，远处的光子（M 部分的峰值）与其他两个峰值（S1 和 S2 部分的峰值）几乎没有相互作用。只有 S1 和 S2 部分的峰值足够接近才能表现出 FWM 效应。在这种情况下，三段式激光器的作用类似于之前演示的两段式激光器，并且通过混合 S1 和 S2 段的峰值产生单个 RF 峰值。 M 部分的峰值的功能是根据 DFB 部分的热波长系数提供 RF 峰值的扩展或减少。在图 7b 所示的第二种情况下，三个峰值彼此靠近。这个案子比较复杂。光子波长的接近促使了 FWM 效应的产生，并且由于这种现象可以产生不止一个差频。因此，S1、S2 和 M 段之间的前两个组合提供了射频频谱中的组成成分，并且激光器可以在双射频模式下工作。然而，一旦 FWM 中的一个因电流注入导致的峰分离而减弱，器件将返回到单模态。

三段式DFB激光器工作模式综合图：a 一峰远，二峰近，b 所有三个峰都彼此靠近

结论

为了产生射频，制造了一个三段式激光器。在该激光器中，2.5 InP/air DBR 对放置在各部分之间。这种多节激光器提供单模射频信号，在 2 至 45 GHz 范围内具有高可调性。额外的第三部分支持这种单模式操作的热调谐，对于双 RF 模式操作也是必不可少的。从光谱中观察到强烈的 FWM 现象，并通过进行 RF 峰值测量得到证实。电流相关波长偏移模型可用于验证 RF。与两段式激光器的范围相比，所提出的三段式激光器在射频调谐范围内提供了 21.3% 的增强。除了单模操作之外，当三个激光器的波长彼此接近时，还演示了双模射频信号。双模式操作中的射频频率可以通过向任何部分注入直流电来修改。我们相信所提出的激光器将有助于提高未来微波光子器件的性能并获得高效的微波光子网络。

数据和材料的可用性

手稿中的所有数据和材料都可用。

缩写

DBR：

分布式布拉格反射器

RF：

射频

AWG：

阵列波导光栅

BWO：

后向振荡器

DFB：

分布式反馈

FIB：

聚焦离子束

PD：

光电探测器

OSA：

光谱分析仪

FWM：

四波混频