モノリシック3セクションDFBレーザーによる広く調整可能なシングル/デュアルRF信号生成

はじめに

将来の新しい無線技術の出現により、セルラーネットワークの設置は新しい時代に進化しました。多数のマイクロまたはナノサイズの基地局が必要であり、電力効率の高いマイクロ波伝送が期待できます[1、2 ]。このワイヤレスインフラストラクチャを構築するには、優れたマイクロ波ソースが必要です。過去に、マイクロ波（X / Kaバンドなど）を生成するためのいくつかの方法が提案され、実証されてきました。電子ビームおよび後方発振器（BWO）を使用すると、高強度のマイクロ波（通常、数百メガワットからギガワットの範囲）を提供でき、レーダー、リモートセンシング、通信、およびプラズマの分野で広く適用されます。科学[3,4,5]。ただし、この技術は、固定された導波構造によって事前に決定されており、この構造のサイズは通常ミリメートルまたはセンチメートルであるため、放射周波数を調整することは困難です。もう1つの方法は、ガンダイオードに伝達電子効果を適用することです[6、7、8、9]。ガンダイオードの半導体の特徴は、そのサイズが数十ミクロンからサブミクロンにまで及ぶ可能性があるため、非常に魅力的です。供給される電力出力も印象的です：数ミリワットから数十ミリワットまで。しかし、デバイスは通常、良好な信号を提供するために他の回路を必要とし、デバイスの長さ全体にわたる固有のキャリア送信時間によって制限される制限された周波数調整可能性もあります[10]。

これらの従来の方法に加えて、将来の無線基地局は、高効率だけでなく、小さな設置面積と大規模な展開も必要とします。小さなステーションアーキテクチャと大規模な多入力および多出力システムの実装は、マイクロ波フォトニクスの必要性を示しています[11]。フォトニックデバイスとインフラストラクチャは、ネットワークの複雑さを軽減し、伝送距離を伸ばし、伝送セキュリティを強化することができます。ピコセル（スモールセル）とファイバーネットワークを組み合わせることで、大量のデータを長距離で効率的に伝送できます[12]。したがって、このような方式を実現するため、特に調整性の高い強力なRF信号を生成し、マルチタスクを可能にするためには、異なるタイプのフォトニックデバイスが必要です。狭い線幅のRF生成のためにインジェクションロックレーザーシステムが提案されました[13]。光学フェーズロックループを備えた複数のレーザーのヘテロダインは、RF信号およびその他の回路の高品質のシングルチャネルまたはデュアルチャネルを生成して良好な信号を提供するために使用されており、データ伝送は以前にこれらのスキームで示すことができます[14、15、 16]。マイクロ波発生のための複数のレーザー統合は、アレイ導波路回折格子（AWG）統合[17]とシリアルカスケードプログラマブル割り込みコントローラー[18]を使用して実現できます。これらの研究はすべて、相互作用するのに十分な光子を提供するために、正確に位置合わせされた光学系と複数のレーザー光源に依存しています。

システムに必要なフットプリントをさらに削減するには、統合された設計が必要です。以前に公開されたすべての方法を考慮すると、（a）チップのサイズをSiウェーハと同様に縮小できるため、統合マイクロ波フォトニック生成が適切な候補になると考えられます[18]。当社のフォトニックチップの現在のサイズは数十から数百ミクロンの範囲ですが、フットプリントをさらに削減することが可能です。 （b）フォトニックミキシングは、過去の文献で最高のRF信号のいくつかを提供できます。たとえば、インジェクションロック方式を使用することにより、位相ノイズを大幅に低減できます。これは、RF信号にとって非常に重要です[19]。 （c）広く調整可能なRF信号の外部電流。マイクロ波フォトニックチップは、注入電流を調整することにより、屈折率変化や光ヘテロダインなどの光子のさまざまな相互作用を介して、広範囲の周波数生成を容易に実現できます[20、21]。光子のさまざまな物理的特性により、フォトニックチップは周波数調整の点で非常に用途が広くなっています。前述のフォトニックの利点を十分に活用するには、さまざまな色のコヒーレントフォトンをこのチップ設計に統合できる必要があります。この研究では、DBR光アイソレータを備えた3セクション分散フィードバック（DFB）レーザーが初めて開発されました。提案されたレーザーは、単純な調整可能なRFキャリア、または2つのRFトーンを備えたキャリアとデータソースのいずれかとして動作できます。この統合デバイスの特性は完全に調査および分析でき、このデバイスは将来のマイクロ波フォトニック統合に役立つ可能性があると考えています。

メソッド

デバイス製造

この研究では、ウェーハは最初に有機金属化学蒸着システムを使用して成長しました。 InGaAsP量子井戸を活性領域として使用し、ターゲットのレイジング波長は約1550nmでした。 DFBレーザーのグレーティングは、電子ビームリソグラフィーを使用して製造されました。エピタキシャル手順が完了した後、ウェーハは、[21]で説明されている膜堆積、ドライ/ウェットエッチング、および金属化の標準的な半導体プロセスで処理されました。ウェーハを100μmまで薄くし、裏面金属接触蒸着（AuGe / Ni / Au）のために研磨して、すべての処理ステップを完了しました。次のステップは、ウェーハをバーに切断し、バーをチップにダイシングしてパッケージ化することです。チップのサイズは250×900μm ² です。 。統合されたレーザーチップは、セラミックサブマウントに取り付けられ、プロービングとテストのためにワイヤーボンディングされました。空気/半導体分布ブラッグ反射鏡は、ナノスケール集束イオンビーム（FIB）システム（Tescanモデル番号GAIA3）を使用してエッチングされました。 FIBテクノロジーは、30keVのエネルギーと0.4nAのビーム電流で加速されたGaイオンを使用して、ターゲット半導体（InPやSiなど）を衝撃します。ナノメートルスケールの精度で、FIBシステムは3セクションレーザーのセクション間DBRを実現できます。 DBRは、空気セクションとInPセクションで構成され、幅は空気セクションで1162 nm、InPセクションで584nmです。最も深いエッチングは、ウェーハへの7μmです。空気/半導体の界面粗さを制御するために、FIBエッチング速度を33 nm / sに最適化しました。図1は、完成したデバイスの概略図とSEM画像を示しています。セクション間の2.5ペアの空気/ InPDBRは、高い光反射率と電気的絶縁の両方を提供でき、統合チップを3つのセクションに分割します。S ₁ 、M、およびS ₂ 、図1に示すように、マスターレーザーとスレーブレーザーが一般的にポンピングおよびポンピングデバイスに使用されるインジェクションロッキングレーザーの表記を採用しています。

3セクションDFBレーザーデバイスの概略図とSEM画像

光ヘテロダイン

光ヘテロダインは、多くのマイクロ波フォトニック構造でRF信号を生成する方法です[22、23]。この技術は、異なる波長の光子を混合することによって調整可能なRF信号を生成します[24、25]。まず、2つの異なる信号 E を定義しました ₁ および E ₂ 次のように：

ここで E ₀₁ および E ₀₂ は振幅です、ω ₁ およびω ₂ は周波数であり、φ ₁ およびφ ₂ E に対応するフェーズです ₁ および E ₂ 、 それぞれ。次に、全混合信号の強度 I _t 次のように説明することができます[26]：

総信号を測定している間、 E のみ ₀₁ E ₀₂ ×cos [（ω ₁ −ω ₂ ） t +（φ ₁ −φ ₂ ）]高周波項（ωなど）があるため、項を観測できます。 ₁ およびω ₂ およびω ₁ + ω ₂ ）は、光検出器の検出限界を超えています。最終的に検出されたRF信号は、次の周波数で取得されます。

現在のデバイスでは、ヘテロダインが異なる周波数で同時に発生するように、複数の波長の光子を同時に生成することができます。各レーザーの発光波長は注入電流によって制御できるため、電流のさまざまな組み合わせにより、同じデバイスからシングルおよびデュアルRF出力信号を提供できます。これらの条件については、このホワイトペーパーの後半で説明します。

測定システム

レーザーデバイスを適切に評価するために、出力パワーは、キャリブレーションされた光検出器（PD）に慎重にファイバー結合されます。ファセットの反射を減らすために、ファイバの端を8°の傾きで劈開しました。偏光コントローラーと適切なアイソレーターを取り付けて、ヘテロダイン後のレーザーへのフィードバックを最小限に抑え、出力を最大にしました。エルビウムドープファイバ増幅器は、信号が十分に強い場合は無視できるオプションの機器です。高速光検出器（50 GHz PD、u2tPhotonics®、AG）または別のPD（1414、NewFocus®）を使用して、混合フォトニック信号を検出しました。ヘテロダイン後に得られた電気信号を信号アナライザー（N9030PXA、Keysight®）に入力し、信号の差動周波数スペクトルを表示しました。一方、結合された光スペクトルは、光スペクトルアナライザー（OSA; AQ6317B、Ando®）を使用して読み取られました。

結果

DCデバイスの特性

デバイスの製造が完了すると、DC特性をテストできます。図2aは、このウェーハを使用して製造された一般的なDFBレーザーの一般的な電力-電流-電圧（L-I-V）曲線を示しています。しきい値電流は10mAより小さくすることができます。個々のデバイスには、300μmの長さのキャビティとミリワットのオーダーの出力電力があります。構造内のグレーティングは、レーザーがシングルモードで動作できるようにするために必要なフィードバックとモード選択を提供します。 3つのレーザーをオンにしたときに観測されたパワースペクトルを図2bに示します。シングルDFBの場合、50dBを超えるハイサイドモード抑制比が測定されました。光ヘテロダインを成功させるには、好ましいシングルモード動作が不可欠です。光信号を両側から取得する場合、S ₁ およびS ₂ 図2bに示すように、Mセクションからの出力電力をブロックする中央のDBRセクションからの反射が高いため、セクションは中央セクション（Mセクション）の応答と比較して強い応答を示します。光学モードの間隔は、注入電流を使用して変更できます。この柔軟性により、これらのレーザーの3つのモードのさまざまな組み合わせが提供されます。図3は、電流に依存する光学スペクトルを示しています。 3つのピークはすべて調整可能であり、2つのピーク間の間隔はRF信号の生成にとって重要な場合があります。 2つのピークが十分に接近すると、これら2つの波長の光子の間で4光波混合（FWM）が発生します[27]。 2つのピークが離れている場合、FWM効果はありません。 FWMは、レーザー利得媒体のキャリア濃度の非線形変調から強化されます[27]。変調は、異なる色の光子の間でより強いヘテロダイン効果をもたらし、より強いRF出力信号を生成することができます。図3に示されている上の曲線では、この強力なFWM相互作用により、光スペクトルにいくつかのピークが生成されます。ピーク間の間隔は、2つの元の混合周波数の差と同じです。

a DFBレーザーの一般的なLIV曲線。 b 1つ、2つ、および3つのDFBレーザーがオンになっている光スペクトル

FWM効果がある場合とない場合の3セクションレーザーの光スペクトル。凡例は、S ₁ の現在の組み合わせ（mA）を示しています –M–S ₂ 各スペクトルのセクション

広く調整可能なシングルモードRF生成

注入電流が変化すると、前述のようにDFBレーザーの発光波長が変化します。したがって、このデバイスでは、それに応じて光ヘテロダインの結果が変化します。ヘテロダインされたRF信号は、高速光検出器を使用して測定できます[20]。信号の品質は、PXAセットアップを使用して識別できます。図4aは、合成されたRF信号の詳細な電気スペクトルを示しています。シングルモード信号はノイズフロアより40.4dB上昇し、ピーク強度は-20dBまで高くなる可能性があります。 RFスペクトルの解像度が高いほど信号の詳細が明らかになり、ローレンツ関数を使用してスペクトルをフィッティングして線幅を決定できます。図4bに示すように、通常の線幅は約12〜16MHzです。 RFピークの個々の線幅は、DFBレーザーのピークの線幅を加算することによって定義されます。この線幅は、このウェーハでは5〜7MHzの範囲です。この設計の重要な機能の1つは、広く調整可能なシングルモードRF生成です。 3つのレーザートーンの組み合わせにより、より広いRF分布範囲が提供されます。シングルモードRF信号は、2〜45GHzまで連続的に調整できます。

合成されたRF信号の電気スペクトル。 a シングルモードRF信号。 b シングルモードRF信号の線幅推定

デュアルRFモード操作

レーザーに3番目のセクションが追加されているため、統合デバイスは2つのセクションを持つレーザーよりも複雑なRF信号パターンを提供できます。制御可能な方法でのデュアルRFモードは、さまざまな目的に適した機能である可能性があります。このデバイスでは、レーザーの3つの波長が互いに近い場合にのみデュアルモードが発生します。 3つのレーザーすべてでFWM効果を開始できる場合、周波数の異なる2つのRF信号が観測されます。図5では、このシナリオを説明するために、光学スペクトルと電気スペクトルの両方が並べて表示されています。この図では、セクションS ₁ のピーク とMは低電流レベルに近いです。したがって、S ₁ 間で強力なFWMが発生します。 およびMセクションであり、7.86 GHz付近に強いRFピークが生成されます（トレースA）。セクションS ₁ の電流を増やしました ピークをセクションS ₂ に向かって赤方偏移します 。 S ₁ 間の分離時に、主要なRFピーク周波数が増加します。 Mセクションが大きくなります（トレースB）。ただし、S ₁ のピークとして およびS ₂ セクションが近づくと、これら2つのグループの光子間のヘテロダイン効果が強くなります。したがって、トレースCでは、主要なRF信号がS ₁ の差動周波数になります。 およびS ₂ 。さらに、S ₁ 間の相互作用 Mは残り、この相互作用に対応する弱いRF信号が21.6GHzで観測されます。電流をさらにS ₁ に増やすことによって 、セクションS ₁ のピークのため、主要なピークの頻度が減少します。 赤はセクションS ₂ のピークに向かってシフトします 。一方、セクションS ₁ のピークのため、マイナーピークの青はより高い周波数にシフトします。 セクションMのピークから離れます（トレースCからE）。

デュアルモード a 光学および b さまざまな電流の組み合わせでのRFスペクトル。 S ₂ の電流 S ₁ の電流が流れている間、MセクションとMセクションは同じに保たれます。 セクションは20から70mAまで変化します（ a に表示） ）。トレースAでは、λ _M <λ _S1 <λ _S2 、シーケンスはλ _M になります <λ _S2 <λ _S1 トレースH

トレースF、G、およびHでは、セクションS ₁ の発光ピーク間の距離 Mはとても大きいです。したがって、これら2つのセクションとS ₁ の間で混合は発生しません。 徐々にS ₂ を超える S ₁ の電流が 増加します。結果として生じるRFピークは、最初に減少し、次に周波数の観点から増加します。この動作は、以前に示した2セクションレーザーに似ています。

ディスカッション

ペア数の影響

DBRはレーザーの間に挿入され、キャビティ間の光アイソレーションを提供し、DFBレーザーの各セクションの2つのファセット間に十分な反射を提供して、シングルモード放射を取得する可能性を高め、最後に、セクション。ペアの数が非常に少ない場合は、セクション間の独立したポンピングを維持するために電気的絶縁が十分でない可能性があります。個々のレーザーダイオードの抵抗はほぼ10Ω以下であるため、10 ³ の電気的絶縁 Ω以上が好ましい。さらに、DBRペアの数が非常に少ない場合、個々のセクションはそれぞれの前面または背面のファセット反射率を区別できず、これにより、前面セクションと背面セクションで予測できないレイジングモードが発生する可能性があります（S ₁ およびS ₂ ）。中央のセクション（Mセクション）では、DBRのペアが少ないと、共振状態が悪くなり、キャビティのフィネスが低くなるため、レイジングがまったく発生しません。逆に、DBRペアの数が多すぎる場合、中央セクションはマルチモードでレーザー発振する可能性があります。このようなレイジングは、RF出力をほとんど、時にはゼロにします。

中央セクションの機能

2セクションデバイスのFWM範囲が制限されているため、RFピークチューニングが20〜30GHzに制限されることがありました。強く結合された2セクションレーザーは、以前に実証されたように、周期1やカオスなどの多くの複雑な非線形動作モードを生成することもできます[20]。 3番目のセクションがレーザーチップに挿入されたとき、デバイスの追加の熱調整効果により、調整範囲が改善されました。図6に示すように、S ₁ の電流が およびS ₂ セクションは固定されており、Mセクションの線形に変化する電流により、1.68GHzのRFチューニングをさらに増やすことができます。得られたMセクションのピークは強い光学的混合を引き起こさないため、すべての主要なRF相互作用はS ₁ の光子間で発生します。 およびS ₂ セクション。ピーク分離のわずかな増加は、Mセクションの高入力電流のトレースでも観察できます。他のデバイスでは、3.82GHzものRFの増加が記録されました。余分なMセクション電流による合成RF周波数のこの追加の変更により、3セクションレーザーでの連続チューニングがより実現可能になります。 I の比較 _M 特定のデバイスで0と65mAの値を使用すると、7.52 GHzの差が得られます（Δ f = I の場合は42.81GHz _M =65 mA、およびΔ f = I の場合は35.29GHz _M =0）チューニング範囲内。一般に、Mセクションが電気的にアクティブ化されると、数GHzのチューニング範囲を追加でき、電流の組み合わせを変更すると、全体のチューニング範囲が大幅に増加します。この現象は、個々のデバイスの熱波長依存性が等しくないことに起因する可能性があります。不等式は、局所的なドーピングの変動、カットされていないFIB領域（リークの原因）、および発光波長の非線形電流依存性などの要因によるものです。ほとんどの場合、RFピーク周波数は、3番目のセクションがアクティブになると増加する傾向があります。

2つの側面セクションを持つ3セクションレーザーの光スペクトル（S ₁ およびS ₂ ）固定入力。中央部に注入される電流（M）は0から70mAに増加します。挿入図は、RFの対応する増加頻度を示しています

シングルモードまたはデュアルモードの操作

3つのセクションのレーザー操作の分析は最初は複雑に見えます。この段落では、デバイスがシングルモードで動作するかデュアルモードで動作するかという基本的な懸念事項について説明します。図7は、3セクションレーザーの2つの最も一般的な動作モードを示しています。光学領域の相互の位置は、2つのケースが考慮されたことを明らかにしました：最初のケースでは、3番目のピークは残りの2つのピークから遠く離れていました。 2番目のケースでは、3番目のピークはS ₁ のピークに積極的に近づいていました。 およびS ₂ セクション。図7aに示されている最初のケースでは、遠くにある光子（Mセクションのピーク）は、他の2つのピーク（S ₁ のピーク）との相互作用がほとんどありません。 およびS ₂ セクション）。 S ₁ のピークのみ およびS ₂ セクションは、FWM効果を発揮するのに十分に接近しています。この状態では、3セクションレーザーは前に示した2セクションレーザーのように機能し、S ₁ のピークを混合することによって単一のRFピークが生成されます。 およびS ₂ セクション。 Mセクションのピークの機能は、DFBセクションの熱波長係数に基づいてRFピークの拡張または縮小を提供することです。図7bに示されている2番目のケースでは、3つのピークが互いに近くにあります。この場合はもっと複雑です。光子の波長が近いとFWM効果が発生し、この現象により複数の微分周波数が発生する可能性があります。したがって、S ₁ の上位2つの組み合わせ 、S ₂ 、およびMセクションは、RFスペクトルの構成要素を提供し、レーザーはデュアルRFモードで動作できます。ただし、電流注入によるピークの分離によってFWMの1つが弱くなると、デバイスはシングルモードに戻ります。

3セクションDFBレーザーの動作モードの包括的な図： a 1つのピークは遠くにあり、他の2つは互いに近く、 b 3つのピークすべてが互いに近接しています

結論

RF生成の目的で3セクションレーザーが製造されました。このレーザーでは、2.5 InP /空気ペアのDBRがセクション間に配置されました。このマルチセクションレーザーは、2〜45GHzの高い調整可能性を備えたシングルモードRF信号を提供します。追加の3番目のセクションは、このシングルモード動作のサーマルチューニングを可能にし、デュアルRFモード動作にも不可欠です。光学スペクトルから強いFWM現象が観察され、RFピーク測定を行うことで確認されました。電流依存の波長シフトモデルは、RFの検証に適用できます。提案された3セクションレーザーは、2セクションレーザーの範囲と比較してRFチューニング範囲を21.3％向上させます。シングルモード動作に加えて、3つのレーザーの波長が互いに近い場合にデュアルモードRF信号も実証されました。デュアルモード動作のRF周波数は、任意のセクションへの直流注入によって変更できます。提案されたレーザーは、将来のマイクロ波フォトニックデバイスの性能を改善し、非常に効率的なマイクロ波フォトニックネットワークを取得するのに役立つと信じています。

データと資料の可用性

原稿のすべてのデータと資料が利用可能です。

略語

DBR：

分布ブラッグ反射鏡

RF：

無線周波数

AWG：

アレイ導波路回折格子

BWO：

後方発振器

DFB：

分散フィードバック

FIB：

集束イオンビーム

PD：

光検出器

OSA：

光スペクトラムアナライザ

FWM：

4光波混合