Laser DFB monolithique à trois sections permettant une génération RF simple/duale à large plage

Résumé

Un laser à rétroaction distribuée (DFB) à trois sections avec 2,5 paires de réflecteurs de Bragg distribués (DBR) InP/air a été fabriqué et analysé en termes de sa capacité de génération micro-onde. Un signal radiofréquence (RF) unique largement accordable peut être détecté en utilisant l'hétérodynage optique, et la plage d'accord est de 2 à 45 GHz. L'incorporation de la troisième section offre l'opportunité de présenter l'opération RF duale lorsque trois pics d'émission sont proches les uns des autres dans le domaine de longueur d'onde. Le design proposé fournit une amélioration de 21,3 % de la plage d'accord RF par rapport à la plage d'un laser à deux sections (35,29 GHz versus 42,81 GHz). La compacité du dispositif proposé peut être utile pour les futures applications radio-sur-fibre.

Introduction

Avec l'avènement de la future technologie sans fil novatrice, l'installation de réseau cellulaire a évolué vers une nouvelle ère : un grand nombre de micro- ou nano-stations de base sont requises, et une transmission micro-onde à haute efficacité énergétique peut être attendue. Pour construire cette infrastructure sans fil, une bonne source micro-onde est nécessaire. Dans le passé, plusieurs méthodes ont été proposées et démontrées pour générer des micro-ondes (telles que les bandes X/Ka). L'utilisation de faisceau d'électrons et d'oscillateurs à reculons (BWO) peut fournir une haute intensité de micro-ondes (généralement dans la gamme de plusieurs centaines de mégawatts à même des gigawatts), et elles sont largement appliquées dans le domaine du radar, de la télédétection, des communications et des sciences du plasma. Cependant, cette technologie est difficile à accorder la fréquence d'émission car elle est pré-déterminée par la structure de guidage d'ondes fixe, et la taille de cette structure est généralement en millimètre ou centimètre. Une autre méthode consiste à appliquer l'effet d'électrons transférés dans une diode Gunn. La caractéristique semi-conducteur de la diode Gunn est très attractive car sa taille peut varier de dizaines de microns à même sous-microns. La puissance de sortie délivrée est également impressionnante : de plusieurs à dizaines de milliwatts. Mais le dispositif nécessite généralement d'autres circuits pour fournir un bon signal, et il a aussi une accordabilité en fréquence limitée qui est bornée par le temps de transit inhérent des porteurs à travers la longueur du dispositif.

En plus de ces méthodes traditionnelles, la future station de base sans fil nécessite non seulement une haute efficacité mais aussi une empreinte réduite et un déploiement à grande échelle. Une architecture de petite station et l'implémentation d'un système massive multiple-input multiple-output démontrent le besoin pour la photonique micro-onde. Les dispositifs et infrastructures photoniques peuvent réduire la complexité d'un réseau, augmenter la distance de transmission et améliorer la sécurité de transmission. Une combinaison de picocellule (petite cellule) et de réseau à fibre optique peut transmettre efficacement une grande quantité de données sur une longue distance. Par conséquent, un type différent de dispositif photonique est nécessaire pour réaliser de tels schémas, surtout pour générer un signal RF fort avec une grande accordabilité et permettre le multitâche. Un système laser à verrouillage d'injection a été proposé pour la génération RF à raie étroite. L'hétérodynage de multiples lasers avec une boucle de verrouillage de phase optique a été utilisé pour générer des signaux RF mono- ou bi-canaux de haute qualité et d'autres circuits pour fournir un bon signal, et la transmission de données peut être montrée dans ces schémas précédemment. L'intégration de multiples lasers pour la génération micro-onde peut être réalisée en utilisant l'intégration de réseau de guides d'ondes arrayés (AWG) et un contrôleur d'interruption programmable en cascade sériel. Toutes ces études ont compté sur des optiques alignées avec précision et des sources laser multiples pour fournir suffisamment de photons pour interagir.

Pour réduire davantage l'empreinte requise du système, un design intégré est nécessaire. Considérant toutes les méthodes qui ont été publiées précédemment, nous croyons que la génération photonique micro-onde intégrée pourrait être un bon candidat car (a) la taille de la puce peut être réduite à l'échelle similaire aux wafers Si. La taille actuelle de nos puces photoniques peut varier de dizaines à centaines de microns, mais une réduction supplémentaire de l'empreinte est possible. (b) Le mélange photonique peut fournir certains des meilleurs signaux RF dans les littératures passées. Par exemple, en utilisant un schéma de verrouillage d'injection, le bruit de phase peut être grandement réduit, ce qui est très important pour le signal RF. (c) Courant électrique externe pour signal RF largement accordable. En ajustant les courants d'injection, les puces photoniques micro-onde peuvent facilement réaliser une large gamme de génération de fréquence via diverses interactions de photons telles que changement d'indice de réfraction ou hétérodynage optique, etc. La variété de propriétés physiques des photons rend la puce photonique très versatile en termes d'accord de fréquence. Pour exploiter pleinement les avantages photoniques susmentionnés, différentes couleurs de photons cohérents doivent pouvoir être intégrées dans ce design de puce. Dans cette étude, un laser à rétroaction distribuée (DFB) à trois sections avec isolation optique DBR a été développé pour la première fois. Le laser proposé peut fonctionner soit comme un porteur RF accordable simple, soit comme un porteur et source de données avec deux tons RF. Les caractéristiques de ce dispositif intégré peuvent être pleinement investiguées et analysées, et nous postulons que ce dispositif peut être bénéfique pour l'intégration photonique micro-onde future.

Méthodes

Fabrication du dispositif

Dans cette étude, les wafers ont d'abord été cultivés en utilisant un système de dépôt chimique en phase vapeur métal-organique. Des puits quantiques InGaAsP ont été utilisés comme région active, et la longueur d'onde de laser ciblée était d'environ 1550 nm. Les gratings des lasers DFB ont été fabriqués en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons. Après la procédure d'épitaxie terminée, le wafer a été traité avec les processus semi-conducteurs standards de dépôt de film, gravure sèche/humide et métallisation qui sont décrits dans [21]. Le wafer a été aminci à 100 μm et poli pour le dépôt de contact métallique au dos (AuGe/Ni/Au) pour finir toutes les étapes de traitement. L'étape suivante serait de couper le wafer en barres et de dicer les barres en puces pour l'empaquetage, et la taille de la puce est de 250 × 900 μm². La puce laser intégrée a été attachée sur un sous-support en céramique et wire bonded pour le sondage et les tests. Un réflecteur de Bragg distribué air/semi-conducteur a été gravé en utilisant un système de faisceau d'ions focalisé à l'échelle nanométrique (FIB) (modèle Tescan no. GAIA3). La technologie FIB emploie des ions Ga accélérés avec une énergie de 30 keV et un courant de faisceau de 0,4 nA pour bombarder le semi-conducteur cible (tel que InP ou Si) loin. Avec sa précision à l'échelle nanométrique, le système FIB peut réaliser le DBR inter-section pour le laser à trois sections. Le DBR est composé de sections air et InP avec une largeur de 1162 nm pour la section air et 584 nm pour la section InP. La gravure la plus profonde est de 7 μm dans le wafer. Pour contrôler la rugosité interfaciale air/semi-conducteur, nous avons optimisé le taux de gravure FIB à 33 nm/s. La Figure 1 affiche le schéma et l'image MEB du dispositif fini. Les 2,5 paires de DBR air/InP entre les sections peuvent fournir à la fois une haute réflectivité optique et une isolation électrique, et elles divisent une puce intégrée en trois sections : S₁, M et S₂, comme montré en Fig. 1. Nous adaptons la notation des lasers à verrouillage d'injection dans laquelle les lasers maître et esclave sont couramment utilisés pour les dispositifs de pompage et pompés.

Hétérodynage optique

L'hétérodynage optique est une méthode de génération d'un signal RF dans de nombreuses structures photoniques micro-onde. Cette technique génère un signal RF accordable en mélangeant différentes longueurs d'onde de photons. Premièrement, nous avons défini les deux signaux différents E₁ et E₂ comme suit :

E₁ = E₀₁(ω₁t + φ₁)

E₂ = E₀₂(ω₂t + φ₂)

où E₀₁ et E₀₂ sont les amplitudes, ω₁ et ω₂ sont les fréquences, et φ₁ et φ₂ sont les phases correspondant à E₁ et E₂, respectivement. Ensuite, l'intensité du signal de mélange total Iₜ peut être décrite comme suit :

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

En mesurant le signal total, seul le terme E₀₁E₀₂ × cos[(ω₁ - ω₂)t + (φ₁ - φ₂)] peut être observé car les termes de haute fréquence (tels que ω₁ et ω₂ et ω₁ + ω₂) sont au-dessus de la limite de détection du photodétecteur. Le signal RF final détecté est obtenu à la fréquence suivante :

Δf = c(1/λ₁ - 1/λ₂)

Dans le dispositif actuel, des photons avec plusieurs longueurs d'onde peuvent être générés simultanément de sorte qu'un hétérodynage peut se produire à différentes fréquences simultanément. Parce que la longueur d'onde d'émission de chaque laser peut être contrôlée par le courant d'injection, diverses combinaisons de courants peuvent fournir des signaux de sortie RF simple et dual à partir du même dispositif. Ces conditions sont discutées plus loin dans l'article.

Système de mesure

Pour évaluer correctement les dispositifs laser, la puissance de sortie est soigneusement couplée en fibre dans un photodétecteur (PD) calibré. L'extrémité de la fibre a été clivée avec une inclinaison de 8° pour réduire la réflexion de facette. Un contrôleur de polarisation et des isolateurs appropriés ont été installés pour assurer un rétroaction minimum au laser et une puissance de sortie maximale après hétérodynage. Un amplificateur à fibre dopée à l'erbium est un équipement optionnel qui peut être négligé si le signal est suffisamment fort. Un photodétecteur haute vitesse (un PD 50-GHz, u2tPhotonics®, AG) ou un autre PD (1414, New Focus®) a été utilisé pour détecter le signal photonique mélangé. Le signal électrique obtenu après hétérodynage a été entré dans un analyseur de signal (N9030PXA, Keysight®), et le spectre de fréquence différentielle du signal a été présenté. De l'autre côté, le spectre optique combiné a été lu en utilisant un analyseur de spectre optique (OSA ; AQ6317B, Ando®).

Résultats

Caractéristiques DC du dispositif

Une fois la fabrication du dispositif terminée, les caractéristiques DC peuvent être testées. La Figure 2a affiche les courbes génériques puissance-courant-tension (L-I-V) d'un laser DFB générique fabriqué en utilisant ce wafer. Le courant de seuil peut être inférieur à 10 mA. Les dispositifs individuels ont une cavité de 300 μm de long et une puissance de sortie de l'ordre de milliwatts. Le grating dans la structure fournit le retour nécessaire et la sélection de mode pour permettre au laser de fonctionner en mode unique. Le spectre de puissance observé lorsque les trois lasers sont allumés est présenté en Fig. 2b. Un rapport de suppression de mode latéral élevé supérieur à 50 dB a été mesuré pour le cas DFB unique. Une opération monomode favorable est essentielle pour que l'hétérodynage optique soit réussi. Lorsque les signaux optiques sont pris des deux côtés, les sections S₁ et S₂ exhibent une réponse plus forte comparée à la réponse de la section du milieu (section M), comme présenté en Fig. 2b en raison de la haute réflexion des sections DBR centrales qui bloquent la puissance de sortie de la section M. L'espacement des modes optiques peut être changé en utilisant les courants d'injection électriques. Cette flexibilité fournit une variété de combinaisons des trois modes de ces lasers. La Figure 3 affiche les spectres optiques dépendants du courant. Les trois pics peuvent être ajustés, et l'espacement entre deux pics peut être critique pour la génération du signal RF. Lorsque les deux pics sont suffisamment proches, le mélange à quatre ondes (FWM) se produit entre ces deux longueurs d'onde de photons. Lorsque deux pics sont loin l'un de l'autre, aucun effet FWM n'est présent. Le FWM s'intensifie à partir de la modulation non-linéaire de la concentration de porteurs dans le milieu de gain laser. La modulation conduit à un effet d'hétérodynage plus fort parmi différentes couleurs de photons et peut produire un signal de sortie RF plus fort. Dans la courbe supérieure présentée en Fig. 3, plusieurs pics sont générés dans le spectre optique en raison de cette forte interaction FWM. L'espacement entre les pics est toujours le même que la différence entre les deux fréquences mélangées originales.

Génération RF monomode largement accordable

Lorsque le courant d'injection varie, la longueur d'onde d'émission du laser DFB varie, comme susmentionné. Ainsi, le résultat de l'hétérodynage optique change en conséquence dans ce dispositif. Le signal RF hétérodyné peut être mesuré en utilisant un photodétecteur haute vitesse. La qualité du signal peut être identifiée en utilisant une configuration PXA. La Figure 4a affiche les spectres électriques détaillés du signal RF synthétisé. Le signal monomode s'élève de 40,4 dB au-dessus du plancher de bruit, et l'intensité de crête peut être aussi haute que -20 dB. La résolution plus fine sur le spectre RF révèle les détails du signal, et le spectre peut être ajusté en utilisant la fonction de Lorentz pour déterminer la largeur de raie. La largeur de raie habituelle est d'environ 12 à 16 MHz, comme montré en Fig. 4b. La largeur de raie individuelle du pic RF est définie par l'addition des largeurs de raie des pics des lasers DFB, qui varient de 5 à 7 MHz dans ce wafer. Une des caractéristiques importantes de ce design est la génération RF monomode largement accordable. La combinaison des trois tons laser fournit une plage de distribution RF plus large. Un signal RF monomode peut être accordé continuellement de 2 à 45 GHz.

Opération en mode RF dual

En raison de la troisième section additionnelle dans le laser, le dispositif intégré peut fournir des motifs de signal RF plus complexes que les lasers à deux sections. Le mode dual RF d'une manière contrôlable pourrait être une caractéristique favorable pour divers buts. Dans ce dispositif, le mode dual se produit seulement lorsque les trois longueurs d'onde des lasers sont proches les unes des autres. Lorsque l'effet FWM peut être initié par les trois lasers, deux signaux RF avec des fréquences différentes sont observés. En Fig. 5, les spectres optiques et électriques sont affichés côte à côte pour illustrer ce scénario. Dans cette figure, les pics des sections S₁ et M sont proches au niveau de courant bas. Ainsi, un fort FWM se produit entre les sections S₁ et M, et un fort pic RF est produit autour de 7,86 GHz (trace A). Nous avons augmenté le courant de la section S₁ pour décaler vers le rouge son pic vers la section S₂. La fréquence du pic RF majeur augmente lorsque la séparation entre les sections S₁ et M devient grande (trace B). Cependant, alors que les pics des sections S₁ et S₂ se rapprochent, l'effet d'hétérodynage entre ces deux groupes de photons grandit plus fort. Ainsi, dans la trace C, le signal RF majeur devient la fréquence différentielle de S₁ et S₂. De plus, l'interaction entre S₁ et M reste, et un signal RF plus faible correspondant à cette interaction est observé à 21,6 GHz. En augmentant davantage le courant vers S₁, le pic majeur diminue en fréquence car le pic de la section S₁ décalé vers le rouge se rapproche du pic de la section S₂. Pendant ce temps, le pic mineur se décale vers le bleu vers une fréquence plus élevée car le pic de la section S₁ s'éloigne du pic de la section M (trace C à E).

Dans les traces F, G et H, la distance entre le pic d'émission de la section S₁ et M est très grande. Ainsi, aucun mélange ne se produit entre ces deux sections, et S₁ dépasse progressivement S₂ lorsque le courant de S₁ est augmenté. Le pic RF résultant diminue d'abord puis augmente en termes de fréquence. Ce comportement est similaire au laser à deux sections démontré précédemment.

Discussion

Effet du nombre de paires

Le DBR est inséré entre les lasers pour fournir une isolation optique entre les cavités, pour fournir une réflexion suffisante entre les deux facettes de chaque section du laser DFB pour augmenter la probabilité d'obtenir une émission monomode, et finalement, pour fournir une isolation électrique suffisante entre les sections. Si le nombre de paires est très petit, alors l'isolation électrique pourrait ne pas être suffisante pour maintenir le pompage indépendant entre les sections. Parce que la résistance d'une diode laser individuelle est approximativement égale ou inférieure à 10 Ω, une isolation électrique de 10³ Ω ou plus est préférée. De plus, si le nombre de paires DBR est très petit, les sections individuelles ne peuvent pas différencier leurs propres réflectivités de facette avant ou arrière, et cela peut conduire à des modes de lasing imprévisibles dans les sections avant et arrière (S₁ et S₂). Pour la section du milieu (section M), moins de paires de DBR causent une condition de résonance inférieure et une faible finesse de cavité, conduisant ainsi à aucun lasing du tout. Inversement, si le nombre de paires DBR est trop grand, la section centrale peut lasing en mode multiple. Un tel lasing cause très peu, parfois zéro, sortie RF.

Fonction de la section du milieu

En raison de la gamme FWM limitée dans nos dispositifs à deux sections, l'accord du pic RF était parfois borné entre 20 et 30 GHz. Le laser à deux sections fortement couplé peut aussi produire de nombreux modes d'opération non-linéaires complexes tels que période 1 et chaos, comme démontré précédemment. Lorsque la troisième section a été insérée dans la puce laser, la plage d'accord a été améliorée en raison de l'effet de réglage thermique supplémentaire des dispositifs. Comme montré en Fig. 6, lorsque les courants des sections S₁ et S₂ sont fixés, le courant variant linéairement de la section M peut fournir une augmentation additionnelle de l'accord RF de 1,68 GHz. Le pic obtenu de la section M ne cause pas un fort mélange optique, et ainsi, toutes les interactions RF majeures sont entre les photons des sections S₁ et S₂. Une légère augmentation de la séparation des pics peut aussi être observée dans les traces avec des courants d'entrée élevés de la section M. Dans d'autres dispositifs, une augmentation du RF aussi haute que 3,82 GHz a été enregistrée. Ce changement additionnel dans la fréquence RF synthétisée due au courant additionnel de la section M peut rendre l'accord continu plus faisable dans le laser à trois sections. Une comparaison entre les valeurs IM de 0 et 65 mA dans un dispositif spécifique fournit une différence de 7,52 GHz (Δf = 42,81 GHz pour IM = 65 mA, et Δf = 35,29 GHz pour IM = 0) dans la plage d'accord. En général, plusieurs GHz de plage d'accord peuvent être ajoutés lorsque la section M est activée électriquement et le changement de combinaisons de courant peut s'additionner et augmenter considérablement la plage d'accord globale. Ce phénomène peut être attribué à une dépendance thermique-longueur d'onde inégale dans les dispositifs individuels. L'inégalité est due à des facteurs tels que la variation de dopage locale, une région FIB non coupée (causant des fuites), et la dépendance non-linéaire du courant de la longueur d'onde d'émission. Dans la plupart des cas, la fréquence du pic RF tend à augmenter lorsque la troisième section est activée.

Opération en mode simple ou dual

L'analyse de l'opération du laser à trois sections apparaît compliquée au premier abord. Dans ce paragraphe, nous apportons une perspective à une préoccupation fondamentale, savoir si le dispositif fonctionnera en mode simple ou dual. La Figure 7 présente les deux modes d'opération les plus communs de notre laser à trois sections. Les emplacements mutuels dans le domaine optique ont révélé que deux cas étaient considérés : dans le premier cas, le troisième pic était loin des deux pics restants. Dans le second cas, le troisième pic était activement proche des pics dans les sections S₁ et S₂. Dans le premier cas, qui est montré en Fig. 7a, les photons qui sont loin (pic de la section M) ont très peu d'interactions avec les deux autres pics (pics des sections S₁ et S₂). Seuls les pics des sections S₁ et S₂ sont suffisamment proches pour exhibiter l'effet FWM. Dans cette condition, le laser à trois sections agit comme le laser à deux sections démontré précédemment et un pic RF unique est généré par mélange des pics des sections S₁ et S₂. La fonction du pic de la section M est de fournir une extension ou réduction du pic RF basée sur les coefficients thermiques-longueur d'onde des sections DFB. Dans le second cas qui est montré en Fig. 7b, les trois pics sont proches les uns des autres. Ce cas est plus compliqué. La proximité des longueurs d'onde des photons incite la génération de l'effet FWM, et plus d'une fréquence différentielle peut être générée en raison de ce phénomène. Ainsi, les deux combinaisons supérieures parmi les sections S₁, S₂ et M fournissent les composants constitutifs dans le spectre RF, et le laser peut fonctionner en mode RF dual. Cependant, une fois qu'un des FWM est affaibli par la séparation des pics due à l'injection de courant, le dispositif revient au mode simple.

Conclusions

Un laser à trois sections a été fabriqué dans le but de génération RF. Dans ce laser, 2,5 paires InP/air de DBR ont été placées entre les sections. Ce laser à sections multiples fournit un signal RF monomode qui a une grande accordabilité de 2 à 45 GHz. La troisième section additionnelle permet le réglage thermique pour cette opération monomode et est aussi essentielle pour l'opération en mode RF dual. Un fort phénomène FWM a été observé à partir des spectres optiques et a été confirmé en effectuant une mesure de pic RF. Le modèle de décalage de longueur d'onde dépendant du courant peut être appliqué pour la vérification des RFs. Le laser à trois sections proposé fournit une amélioration de 21,3 % dans la plage d'accord RF comparée à la plage du laser à deux sections. En plus de l'opération monomode, un signal RF en mode dual a aussi été démontré lorsque les longueurs d'onde des trois lasers sont proches les unes des autres. Les fréquences RF dans l'opération en mode dual peuvent être modifiées par l'injection de courant continu dans n'importe laquelle des sections. Nous croyons que le laser proposé sera utile pour améliorer la performance des futurs dispositifs photoniques micro-onde et obtenir un réseau photonique micro-onde hautement efficace.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données et matériaux dans le manuscrit sont disponibles.

Abréviations

DBR :

Réflecteurs de Bragg distribués (Distributed Bragg reflectors)

RF :

Radiofréquence

AWG :

Réseau de guides d'ondes arrayés (Arrayed waveguide grating)

BWO :

Oscillateurs à reculons (Backward oscillators)

DFB :

Rétroaction distribuée (Distributed feedback)

FIB :

Faisceau d'ions focalisé (Focused ion beam)

PD :

Photodétecteur

OSA :

Analyseur de spectre optique (Optical spectrum analyzer)

FWM :

Mélange à quatre ondes (Four-wave mixing)