单片三段式DFB激光器实现宽范围单/双射频信号生成

摘要

制备并分析了一种具有2.5对InP/空气分布式布拉格反射器（DBR）的三段式分布式反馈激光器，研究其微波生成能力。利用光学异频技术可检测到宽可调单射频（RF）信号，调谐范围2-45 GHz。第三段的引入使三个发射峰在波长域靠近时呈现双RF工作模式。与两段式激光器（35.29 GHz）相比，该设计使RF调谐范围增强21.3%（达42.81 GHz）。该器件的紧凑性有利于未来射频光纤应用。

引言

随着未来新型无线技术出现，蜂窝网络部署进入新纪元：需要大量微型或纳米级基站，可期待功耗高效的微波传输[1, 2]。构建此无线基础设施需要良好的微波源。过去提出多种微波生成方法（如X/Ka频段）。电子束和后向波振荡器（BWO）可提供高强度微波（通常数百兆瓦至吉瓦级），广泛用于雷达、遥感、通信、等离子体科学[3-5]。但该技术难以调谐发射频率，因其由固定波导结构预先决定，结构尺寸通常毫米或厘米级。另一方法利用甘纳二极管的转移电子效应[6-9]。甘纳二极管半导体特性使其尺寸可达几十微米甚至亚微米，输出功率也令人印象深刻（数至几十毫瓦）。但器件通常需其他电路提供良好信号，且固有载子穿越时间限制了频率可调性[10]。

除传统方法外，未来无线基站不仅要求高效率，还需小尺寸和大规模部署。小基站架构和大规模多入多出（MIMO）系统实施展示了微波光子学需求[11]。光子器件和基础设施可降低网络复杂度、增加传输距离、增强传输安全。微微基站（小蜂窝）与光纤网络结合可高效远距离传输大量数据[12]。因此需要不同类型的光子器件实现此类方案，特别是生成高可调谐强RF信号并实现多任务。注入锁定激光系统曾用于窄线宽RF生成[13]。光学锁相环异频多激光器用于生成高质量单/双通道RF信号[14-16]。阵列波导光栅（AWG）集成[17]和串行级联可编程中断控制器[18]可实现多激光器集成微波生成。所有这些研究依赖精密对准光学和多激光源提供足够光子相互作用。

为进一步缩小系统占地面积，集成设计必要。考虑所有前人发表方法，我们认为集成微波光子生成是良好候选[18]，因为：(a)芯片尺寸可像Si晶圆一样缩小。当前光子芯片尺寸几十至几百微米，但可进一步缩小。(b)光子混频可提供文献中最佳RF信号之一。如注入锁定方案可大幅降低相位噪声，这对RF信号至关重要[19]。(c)外部电流实现宽可调RF信号。通过调节注入电流，微波光子芯片可通过光子折射率变化或光学异频等多种相互作用轻松实现宽频段生成[20, 21]。光子多样物理特性使光子芯片在频率调谐上极具通用性。为充分利用上述光子优势，不同颜色相干光子须能集成于芯片设计中。本研究首次开发具有DBR光隔离的三段式分布式反馈（DFB）激光器。该激光器可作为简单可调RF载波，或作为带两个RF音调的载波和数据源。该集成器件特性可被充分研究分析，我们认为该器件有利于未来微波光子集成。

方法

器件制备

本研究中晶圆先用金属有机化学气相沉积系统生长。InGaAsP量子阱作有源区，目标激光波长约1550 nm。DFB激光器光栅用电子束光刻制造。外延工艺完成后，晶圆经薄膜沉积、干/湿法刻蚀、金属化等标准半导体工艺处理[21]。晶圆减薄至100 μm并抛光用于背面金属接触沉积（AuGe/Ni/Au）完成所有工艺步骤。下一步将晶圆切割成条再切成芯片封装，芯片尺寸250×900 μm²。集成激光芯片安装在陶瓷副衬底上并引线键合用于探针测试。用纳米聚焦离子束（FIB）系统（Tescan GAIA3）刻蚀空气/半导体分布式布拉格反射器。FIB技术用30 keV能量、0.4 nA束流的加速Ga离子轰击靶半导体（如InP或Si）。凭借纳米级精度，FIB系统可实现三段激光器的段间DBR。DBR由空气和InP段组成，空气段宽1162 nm，InP段宽584 nm。最深刻蚀7 μm入晶圆。为控制空气/半导体界面粗糙度，优化FIB刻蚀速率至33 nm/s。图1展示成品器件示意图和SEM图像。段间2.5对空气/InP DBR提供高光学反射率和电隔离，将集成芯片分为三段：S₁、M、S₂（如图1所示）。我们采用注入锁定激光器符号，主激光器和从属激光器常用于泵浦和被泵浦器件。

光学异频

光学异频是许多微波光子结构中生成RF信号的方法[22, 23]。该技术通过混合不同波长光子生成可调RF信号[24, 25]。首先定义两个不同信号E₁和E₂如下：

E₁ = E₀₁(ω₁t + φ₁) (1)

E₂ = E₀₂(ω₂t + φ₂) (2)

其中E₀₁、E₀₂为振幅，ω₁、ω₂为频率，φ₁、φ₂为相位。总混频信号强度Iₜ描述为[26]：

Iₜ = (E₁+E₂)² = E₀₁²cos²(ω₁t+φ₁) + E₀₂²cos²(ω₂t+φ₂) + E₀₁E₀₂{cos[(ω₁+ω₂)t+(φ₁+φ₂)] + cos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]} (3)

测量总信号时，仅能观测到E₀₁E₀₂×cos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]项，因高频项（如ω₁、ω₂、ω₁+ω₂）超出光电探测器检测极限。最终检测到的RF信号频率为：

Δf = c(1/λ₁ - 1/λ₂) (4)

当前器件中可同时产生多波长光子，使异频可在不同频率同时发生。因各激光器发射波长可由注入电流控制，各种电流组合可从同一器件提供单/双RF输出信号。这些条件后文讨论。

测量系统

为适当评估激光器件，输出功率小心耦合入校准光电探测器（PD）。光纤端面以8°倾角劈裂减少面反射。安装偏振控制器和适当隔离器确保激光器最小反馈和异频后最大输出功能。掺铒光纤放大器为可选设备，信号足够强时可忽略。用高速光电探测器（50-GHz PD, u2tPhotonics®, AG）或另一PD（1414, New Focus®）探测混合光子信号。异频后电信号输入信号分析仪（N9030PXA, Keysight®），呈现信号差频频谱。另一侧用光谱分析仪（OSA; AQ6317B, Ando®）读取组合光谱。

结果

器件直流特性

器件制备完成后可测试直流特性。图2a显示用该晶圆制备的通用DFB激光器光-电流-电压（L-I-V）曲线。阈值电流可小于10 mA。单个器件腔长300 μm，输出功率毫瓦量级。结构中光栅提供必要反馈和模式选择使激光器单模工作。图2b展示三个激光器开启时观测到的功率谱。单DFB情况测得高边模抑制比>50 dB。良好的单模工作对光学异频成功至关重要。从两侧取光信号时，S₁和S₂段响应比中间段（M段）强，因中央DBR段高反射阻挡M段输出功率（图2b）。光学模式间距可用电注入电流改变。这种灵活性提供三激光器三模式的多种组合。图3显示电流依赖光谱。三个峰值均可调节，两峰间间距对RF信号生成至关重要。两峰足够接近时，两光子波长间发生四波混频（FWM）[27]。两峰远离时无FWM效应。FWM源于激光增益介质载子浓度非线性调制增强[27]。调制导致不同颜色光子间更强异频效应，产生更强RF输出信号。图3顶部曲线因强FWM相互作用光谱中产生多个峰值。峰间间距仍等于两原始混合频率差。

宽可调单模RF生成

如前所述，注入电流变化导致DFB激光器发射波长变化，故本器件光学异频结果随之改变。异频RF信号可用高速光电探测器测量[20]。信号质量用PXA装置识别。图4a显示合成RF信号详细电频谱。单模信号比噪声底高出40.4 dB，峰值强度高达-20 dB。RF频谱精细分辨揭示信号细节，可用洛伦兹函数拟合确定线宽。典型线宽约12-16 MHz（图4b）。单个RF峰线宽由DFB激光器峰值线宽相加定义，本晶圆中为5-7 MHz。该设计重要特征之一是宽可调单模RF生成。三激光器音调组合提供更宽RF分布范围。单模RF信号可从2 GHz连续调谐至45 GHz。

双RF模式操作

因激光器额外第三段，集成器件可提供比两段激光器更复杂的RF信号模式。可控的双RF模式对多种用途有利。本器件中双模式仅在三激光器波长相互接近时发生。当三激光器均可引发FWM效应时，观测到两个不同频率RF信号。图5并列显示光学和电频谱说明此场景。图中S₁和M段峰值在低电流下接近。故S₁和M段间发生强FWM，产生~7.86 GHz强RF峰（迹线A）。增大S₁段电流使其峰值红移向S₂段。S₁和M段分离变大时主RF峰频率增加（迹线B）。但随着S₁和S₂段峰值靠近，这两组光子间异频效应增强。故迹线C中主RF信号变为S₁和S₂差频。同时S₁和M相互作用保留，在21.6 GHz观测到较弱对应RF信号。进一步增大S₁电流，主峰频率降低因S₁峰值红移向S₂峰值。同时次峰蓝移至更高频率因S₁峰值远离M段峰值（迹线C到E）。

迹线F、G、H中S₁段发射峰与M段距离很大。故这两段间无混频，S₁随电流增加逐渐超越S₂。结果RF峰频率先减后增。此行为类似前人演示的两段激光器。

讨论

DBR对数影响

DBR插入激光器间旨在提供腔体间光隔离、提供各DFB激光器两端面足够反射率增加单模发射可能性、提供段间足够电隔离。若对数极小，电隔离可能不足以维持段间独立泵浦。因单个激光二极管电阻约≤10 Ω，首选电隔离≥10³ Ω。此外，若DBR对数极小，各段无法区分自身前后端面反射率，导致前后段（S₁和S₂）出现不可预测激射模式。对中间段（M段），较少DBR对导致劣势谐振条件和低腔精细度，甚至完全不激射。反之，若DBR对数过大，中心段可多模激射，导致极少甚至零RF输出。

中间段功能

因两段器件FWM范围有限，RF峰调谐有时限制在20-30 GHz间。强耦合两段激光器也可产生周期1和混沌等复杂非线性运行模式[20]。插入第三段后，因器件额外热调谐效应调谐范围改善。图6显示固定S₁和S₂段电流时，M段线性变化电流可提供额外1.68 GHz RF调谐增量。获得的M段峰值不引起强光学混频，故主要RF相互作用仍在S₁和S₂段光子间。高M段输入电流迹线中也可观测到峰间距轻微增加。其他器件记录到高达3.82 GHz的RF增加量。M段电流激活带来的合成RF频率额外变化可使三段激光器连续调谐更可行。比较特定器件中I_M=0和65 mA：调谐范围差7.52 GHz（I_M=65 mA时Δf=42.81 GHz，I_M=0时Δf=35.29 GHz）。通常电激活M段可增加数GHz调谐范围，电流组合变化可累加显著增加总调谐范围。此现象归因于单个器件不等热-波长依赖性。不等性源于局域掺杂变化、未切割FIB区域（导致漏电）、发射波长非线性电流依赖等因素。大多数情况下激活第三段RF峰频率倾向增加。

单模或双模操作

三段激光器操作分乍看复杂。本段视角阐述基本关切：器件将以单模还是双模运行。图7展示三段DFB激光器两种最常见运行模式。光学域相互位置揭示两种情况：第一种情况第三峰远离其余两峰；第二种情况第三峰主动靠近S₁和S₂段峰值。第一种情况（图7a）：远离光子（M段峰值）与其他两峰（S₁和S₂段峰值）相互作用极少。仅S₁和S₂段峰值足够接近展现FWM效应。此条件下三段激光器表现如前人演示的两段激光器，混频S₁和S₂段峰值生成单RF峰。M段峰值功能基于DFB段热-波长系数提供RF峰延伸或缩减。第二种情况（图7b）：三峰相互接近。此情况更复杂。光子波长接近引发FWM效应，因该现象可生成多个差频。故S₁、S₂、M段前两组合提供RF频谱构成成分，激光器可双RF模式运行。但一旦峰值分离因电流注入削弱其中一个FWM，器件恢复单模。

结论

为RF生成制备三段激光器。段间放置2.5对InP/空气DBR。该多段激光器提供高可调谐单模RF信号（2-45 GHz）。额外第三段为此单模操作提供热调谐，也是双RF模式操作关键。从光谱观测到强FWM现象，RF峰测量证实。电流依赖波长位移模型可用于RF验证。与两段激光器相比，三段激光器RF调谐范围增强21.3%。除单模操作外，三激光器波长接近时也演示了双模RF信号。双模操作RF频率可通过任意段直流注入修改。我们相信该激光器将有助于提升未来微波光子器件性能、获得高效微波光子网络。