単一/二重RF生成を広範囲に実現するモノリシック三セクションDFBレーザー

概要

2.5対のInP/空気分布ブラッグ反射鏡（DBR）を持つ三セクション分布帰還（DFB）レーザーを製造し、そのマイクロ波生成能力を分析しました。光ヘテロダイン法を用いて広範囲にチューニング可能な単一無線周波数（RF）信号を検出でき、チューニング範囲は2-45 GHzでした。第3セクションの導入により、3つの発光ピークが波長領域で互いに近接している場合、二重RF動作が可能になります。提案設計は、二セクションレーザーの範囲（35.29 GHz）と比較してRFチューニング範囲で21.3%の向上（42.81 GHz）を提供します。提案デバイスのコンパクトさは、将来の無線光ファイバ応用に有用です。

はじめに

将来の新規無線技術の到来に伴い、セルラーネットワークの設置は新時代へと進化しました：多数のマイクロまたはナノサイズの基地局が必要となり、電力効率の良いマイクロ波伝送が期待されています[1, 2]。この無線インフラを構築するには、優れたマイクロ波源が必要です。従来、マイクロ波生成（X/Kaバンドなど）のためにいくつかの方法が提案・実証されてきました。電子ビームと後方波発振器（BWO）を用いると、高強度マイクロ波（通常数百メガワットからギガワット範囲）が得られ、レーダー、リモートセンシング、通信、プラズマ科学などに広く応用されています[3-5]。しかし、この技術は放射周波数が固定波導構造によって事前に決定されるため周波数チューニングが困難で、構造サイズが通常ミリメートルまたはセンチメートルオーダーです。もう一つの方法は、ガンダイオードにおける転移電子効果を利用することです[6-9]。ガンダイオードの半導体特性は、サイズが数十ミクロンからサブミクロンまで可能な点で非常に魅力的です。出力電力も数ミリワットから数十ミリワットと印象的ですが、通常良好な信号を得るために他の回路が必要で、固有のキャリア伝送時間によって周波数チューニング性が制限されます[10]。

これらの従来手法に加え、将来の無線基地局には高効率だけでなく、小フットプリントと大規模展開が求められます。スモールステーションアーキテクチャと大規模MIMO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は、ネットワークの複雑さを低減し、伝送距離を延ばし、伝送セキュリティを向上させます。ピコセル（スモールセル）と光ファイバネットワークの組み合わせにより、大量データを長距離で効率的に伝送できます[12]。したがって、このようなスキームを実現するには、特に高いチューニング性を持つ強力なRF信号生成とマルチタスクを可能にする、異なるタイプのフォトニックデバイスが必要です。注入ロックレーザーシステムが狭線幅RF生成のために提案されています[13]。光位相ロックループを用いた複数レーザーのヘテロダインは、高品質な単一/二重チャネルRF信号生成に用いられてきました[14-16]。マイクロ波生成のための複数レーザー統合は、アレイ導波路格子（AWG）統合[17]や直列カスケードプログラマブル割り込みコントローラ[18]で実現可能です。これらすべての研究は、精密にアライメントされた光学系と複数のレーザー光源に依存し、十分な光子を相互作用させていました。

システムの必要フットプリントをさらに削減するには、集積設計が必要です。これまでに発表されたすべての手法を考慮すると、集積マイクロ波フォトニック生成が良い候補であると考えられます[18]。理由は：（a）チップサイズをSiウェーハと同様にスケールダウン可能。現在のフォトニックチップサイズは数十から数百ミクロンだが、さらなるフットプリント削減も可能。（b）フォトニックミキシングが過去の文献で最高のRF信号を提供できる。例えば、注入ロック方式により位相雑音を大幅に低減でき、これはRF信号にとって非常に重要[19]。（c）外部電気電流による広範囲チューニング可能RF信号。注入電流を調整することで、マイクロ波フォトニックチップは屈折率変化や光ヘテロダインなど、光子の様々な相互作用を介して広範囲な周波数生成を容易に実現可能[20, 21]。光子の多様な物理的特性により、フォトニックチップは周波数チューニングの面から非常に汎用的です。前述のフォトニック利点を最大限に活用するには、異なる色のコヒーレント光子をこのチップ設計に統合できる必要があります。本研究では、DBR光学アイソレーションを持つ三セクション分布帰還（DFB）レーザーを初めて開発しました。提案レーザーは、単純なチューニング可能RFキャリアとしても、2つのRFトーンを持つキャリア兼データソースとしても動作可能です。この集積デバイスの特性を完全に調査・分析し、将来のマイクロ波フォトニック統合に有益であると考えられます。

方法

デバイス製造

本研究では、ウェーハを金属有機化学気相成長システムで最初に成長させました。InGaAsP量子井戸を活性領域とし、目標発振波長は約1550 nmとしました。DFBレーザーの格子は電子ビームリソグラフィで製造しました。エピタキシャル工程完了後、ウェーハを[21]に記載の標準半導体プロセス（薄膜堆積、ドライ/ウェットエッチング、メタライゼーション）で処理しました。ウェーハを100 μmまで薄くし、研磨して裏面メタルコンタクト（AuGe/Ni/Au）を堆積し、すべてのプロセスステップを完了しました。次のステップでは、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ングし、チップサイズは250×900 μm²です。集積レーザーチップをセラミックサブマウントに取り付け、ワイヤボンディングしてプロービングとテストを行いました。空気/半導体分布ブラッグ反射鏡を、ナノスケール集束イオンビーム（FIB）システム（TescanモデルGAIA3）でエッチングしました。FIB技術は、30 keVエネルギー、0.4 nAビーム電流で加速したGaイオンを用いて、標的半導体（InPやSiなど）を除去します。ナノメートルスケールの精度で、三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、空気セクション幅1162 nm、InPセクション幅584 nmの空気とInPセクションで構成されます。最深エッチ深度はウェーハ内7 μmです。空気/半導体界面粗さを制御するため、FIBエッチレートを33 nm/sに最適化しました。図1に完成デバイスの概略図とSEM像を示します。セクション間の2.5対の空気/InP DBRは、高い光学反射率と電気的アイソレーションの両方を提供し、集積チップをS₁、M、S₂の3セクションに分割します（図1参照）。注入ロックレーザーで一般的に用いられる、マスターとスレーブレーザー（ポンピング側と被ポンピング側）の表記法を採用しています。

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信号を生成する手法です[22, 23]。この技術は、異なる波長の光子を混合することでチューニング可能なRF信号を生成します[24, 25]。まず、2つの異なる信号E₁とE₂を以下のように定義します：

E₁ = E₀₁(ω₁t + φ₁)

E₂ = E₀₂(ω₂t + φ₂)

ここで、E₀₁とE₀₂は振幅、ω₁とω₂は周波数、φ₁とφ₂はそれぞれE₁とE₂に対応する位相です。すると、全混合信号の強度I_tは以下のように記述できます[26]：

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

全信号を測定する際、高周波項（ω₁、ω₂、ω₁+ω₂など）はフォトディテクタの検出限界を超えるため、E₀₁E₀₂×cos[(ω₁-ω₂)t + (φ₁-φ₂)]項のみが観測されます。最終的な検出RF信号は以下の周波数で得られます：

Δf = c(1/λ₁ - 1/λ₂)

現在のデバイスでは、複数波長の光子を同時に生成できるため、異なる周波数でヘテロダインが同時に発生可能です。各レーザーの発振波長は注入電流で制御できるため、様々な電流組み合わせにより、同一デバイスから単一および二重RF出力信号が得られます。これらの条件については後で議論します。

測定システム

レーザーデバイスを適切に評価するため、出力光を校正済みフォトディテクタ（PD）に慎重にファイバ結合しました。ファイバ端面を8°傾斜でクリーブし、ファセット反射を低減しました。偏光制御器と適切なアイソレータを設置し、レーザーへの最小フィードバックとヘテロダイン後の最大出力を確保しました。エルビウム添加ファイバ増幅器は、信号が十分強い場合は省略可能な装置です。高速フォトディテクタ（50 GHz PD、u2tPhotonics®、AG）または別のPD（1414、New Focus®）を用いて混合フォトニック信号を検出しました。ヘテロダイン後の電気信号を信号アナライザ（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、結合光学スペクトルは光スペクトルアナライザ（OSA；AQ6317B、Ando®）で読み取りました。

結果

DCデバイス特性

デバイス製造完了後、DC特性をテストしました。図2aに、このウェーハで製造した一般的なDFBレーザーの一般的な光-電流-電圧（L-I-V）曲線を示します。閾値電流は10 mA未満です。個々のデバイスは300 μm長の共振器を持ち、ミリワットオーダーの出力光パワーを持ちます。構造内の格子が必要なフィードバックとモード選択を提供し、レーザーを単一モードで動作させます。3つのレーザーをオンにしたときのパワースペクトルを図2bに示します。単一DFBケースで50 dB以上の高いサイドモード抑制比が測定されました。好ましい単一モード動作は、光ヘテロダインの成功に不可欠です。光学信号を両側から取り出すと、中央DBRセクションからの高反射によりMセクションからの出力光パワーが遮断されるため、S₁とS₂セクションがMセクションより強い応答を示します（図2b）。光学モード間隔は電気注入電流で変更可能です。この柔軟性により、これらのレーザーの3モードの様々な組み合わせが可能になります。図3に電流依存性光学スペクトルを示します。3つのピークすべてを調整可能で、2ピーク間の間隔がRF信号生成にとって重要です。2ピークが十分近接すると、これら2波長の光子間で四波混合（FWM）が発生します[27]。2ピークが遠く離れていると、FWM効果は存在しません。FWMは、レーザー利得媒質中のキャリア濃度の非線形変調から増強されます[27]。この変調により、異なる色の光子間のヘテロダイン効果が強まり、より強いRF出力信号を生成できます。図3の最上段カーブでは、この強いFWM相互作用により光学スペクトルに複数のピークが生成されています。ピーク間隔は、元の2混合周波数の差と同じままです。

広範囲チューニング可能単一モードRF生成

前述のように、注入電流が変化するとDFBレーザーの発振波長が変化するため、このデバイスでは光ヘテロダインの結果もそれに応じて変化します。ヘテロダインされたRF信号は高速フォトディテクタで測定可能です[20]。信号品質はPXAセットアップで特定できます。図4aに合成RF信号の詳細な電気スペクトルを示します。単一モード信号はノイズフロアから40.4 dB立ち上がり、ピーク強度は-20 dBまで達します。RFスペクトルのより細かい分解能により信号の詳細が明らかになり、ローレンツ関数でフィッティングして線幅を決定できます。通常の線幅は約12-16 MHzです（図4b）。個々のRFピーク線幅は、DFBレーザーのピーク線幅の加算で定義され、このウェーハでは5-7 MHzの範囲です。この設計の重要な特徴の一つは、広範囲チューニング可能単一モード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分布範囲が得られます。単一モードRF信号を2-45 GHzで連続的にチューニング可能です。

二重RFモード動作

レーザーに追加の第3セクションがあるため、集積デバイスは二セクションレーザーより複雑なRF信号パターンを制御可能な方法で提供できます。二重RFモードは様々な目的で好ましい特徴となり得ます。このデバイスでは、3つのレーザー波長が互いに近接している場合にのみ二重モードが発生します。すべての3レーザーによってFWM効果が開始されると、異なる周波数の2つのRF信号が観測されます。図5に、光学スペクトルと電気スペクトルを並べて表示し、このシナリオを説明します。この図では、低電流レベルでS₁とMセクションのピークが近接しています。したがって、S₁とMセクション間で強いFWMが発生し、約7.86 GHz付近に強いRFピークが生成されます（トレースA）。S₁セクションの電流を増やしてそのピークをS₂セクション側にレッドシフトさせました。S₁とMセクションの分離が大きくなると、主要RFピーク周波数が増加します（トレースB）。しかし、S₁とS₂セクションのピークが近づくと、これら2グループの光子間のヘテロダイン効果が強まります。したがって、トレースCでは主要RF信号がS₁とS₂の差動周波数になります。さらに、S₁とMの相互作用は残っており、この相互作用に対応する弱いRF信号が21.6 GHzで観測されます。S₁への電流をさらに増やすと、S₁ピークがS₂ピークに向かってレッドシフトするため主要ピーク周波数が減少します。一方、S₁ピークがMピークから離れるためマイナーピークがより高い周波数にブルーシフトします（トレースCからE）。

トレースF、G、Hでは、S₁セクション発光ピークとMセクションの距離が非常に大きくなります。したがって、これら2セクション間では混合が起こらず、S₁電流増加に伴いS₁が徐々にS₂を超えます。結果として生じるRFピークは、周波数の面からは最初に減少し、その後増加します。この挙動は、以前に実証された二セクションレーザーと類似しています。

考察

DBR対数の効果

DBRはレーザー間に挿入され、共振器間の光学的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両ファセット間に十分な反射を提供して単一モード発振の可能性を高め、最後にセクション間の十分な電気的アイソレーションを提供します。対数が非常に少ない場合、電気的アイソレーションがセクション間の独立したポンピングを維持するのに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抵抗は約10 Ω以下であるため、10³ Ω以上の電気的アイソレーションが好まれます。また、DBR対数が非常に少ない場合、個々のセクションが自分の前後ファセット反射率を区別できず、フロントとバックセクション（S₁とS₂）で予測不能なレーザーモードを引き起こす可能性があります。中央セクション（Mセクション）では、より少ないDBR対数は劣った共振条件と低い共振器ファインネスを引き起こし、全くレーザー発振しないことにつながります。逆に、DBR対数が多すぎると、中央セクションが多重モードで発振する可能性があります。そのような発振は、非常に少ない、時にはゼロのRF出力を引き起こします。

中央セクションの機能

二セクションデバイスでのFWM範囲が限定されているため、RFピークチューニングが20-30 GHzの間で制約されることがありました。強く結合した二セクションレーザーは、周期1やカオスなどの複雑な非線形動作モードも生成します[20]。第3セクションをレーザーチップに挿入すると、デバイスの追加的な熱チューニング効果によりチューニング範囲が改善されました。図6に示すように、S₁とS₂セクションの電流を固定し、Mセクションの電流を線形に変化させると、RFチューニングに1.68 GHzの追加的増加が得られました。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ず、したがって主要なRF相互作用はすべてS₁とS₂セクションの光子間で起こります。Mセクションの高入力電流トレースでは、ピーク分離のわずかな増加も観察されます。他のデバイスでは、最大3.82 GHzのRF増加が記録されました。Mセクション電流によるこの合成RF周波数の追加的変化は、三セクションレーザーでの連続チューニングをより実現可能にします。特定デバイスでI_M値0と65 mAを比較すると、チューニング範囲に7.52 GHzの差が生じます（I_M=65 mAでΔf=42.81 GHz、I_M=0でΔf=35.29 GHz）。一般的に、Mセクションが電気的に活性化されると数GHzのチューニング範囲が追加され、電流組み合わせの変化が累積して全体的なチューニング範囲を大幅に増加させます。この現象は、個々のデバイスにおける不均一な熱-波長依存性に起因すると考えられます。不均一性は、局所ドーピング変動、未切断FIB領域（リーク原因）、発振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、第3セクションが活性化されるとRFピーク周波数は増加傾向にあります。

単一または二重モード動作

三セクションレーザー動作の解析は、一見複雑に見えます。この段落では、デバイスが単一モードか二重モードで動作するかという根本的な懸念について視点を提供します。図7に、三セクションレーザーの最も一般的な2つの動作モードを示します。光学領域での相互位置関係から、2つのケースが考慮されました：第1ケースでは、第3ピークが残り2ピークから遠く離れています。第2ケースでは、第3ピークがS₁とS₂セクションのピークに積極的に近接しています。図7aに示す第1ケースでは、遠く離れた光子（Mセクションのピーク）は他の2ピーク（S₁とS₂セクションのピーク）とほとんど相互作用しません。S₁とS₂セクションのピークのみが十分近接してFWM効果を示します。この条件下では、三セクションレーザーは以前に実証された二セクションレーザーのように振る舞い、S₁とS₂セクションのピークを混合して単一RFピークが生成されます。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に示す第2ケースでは、3つのピークが互いに近接しています。このケースはより複雑です。光子波長の近接性がFWM効果の生成を促し、この現象により複数の差動周波数が生成可能になります。したがって、S₁、S₂、Mセクション間の上位2組み合わせがRFスペクトルの構成要素を提供し、レーザーは二重RFモードで動作可能です。しかし、電流注入によるピーク分離でFWMのいずれかが弱まると、デバイスは単一モードに戻ります。

結論

RF生成を目的とした三セクションレーザーを製造しました。このレーザーでは、セクション間に2.5対のInP/空気DBRを配置しました。この多セクションレーザーは、2-45 GHzの高いチューニング性を持つ単一モードRF信号を提供します。追加の第3セクションは、この単一モード動作の熱チューニングを可能にし、また二重RFモード動作に不可欠です。光学スペクトルから強いFWM現象が観測され、RFピーク測定で確認されました。電流依存性波長シフトモデルをRF検証に適用できます。提案三セクションレーザーは、二セクションレーザーと比較してRFチューニング範囲で21.3%の向上を提供します。単一モード動作に加え、3レーザー波長が互いに近接しているときに二重モードRF信号も実証しました。二重モード動作でのRF周波数は、いずれかのセクションへの直流注入で変更可能です。提案レーザーが、将来のマイクロ波フォトニックデバイスの性能向上と高効率マイクロ波フォトニックネットワークの実現に有用であると考えられます。