Weit abstimmbare Einzel-/Dual-HF-Signalerzeugung durch einen monolithischen DFB-Laser mit drei Abschnitten

Einführung

Mit dem Aufkommen zukünftiger neuartiger drahtloser Technologien hat sich die Installation von Mobilfunknetzen zu einer neuen Ära entwickelt:Eine große Anzahl von Basisstationen in Mikro- oder Nanogröße wird benötigt, und eine energieeffiziente Mikrowellenübertragung kann erwartet werden [1, 2 ]. Um diese drahtlose Infrastruktur aufzubauen, ist eine gute Mikrowellenquelle notwendig. In der Vergangenheit wurden mehrere Verfahren vorgeschlagen und gezeigt, um Mikrowellen (wie X/Ka-Bänder) zu erzeugen. Die Verwendung von Elektronenstrahl- und Rückwärtsoszillatoren (BWO) kann eine hohe Intensität von Mikrowellen liefern (normalerweise im Bereich von mehreren hundert Megawatt bis sogar Gigawatt), und sie werden häufig im Bereich Radar, Fernerkundung, Kommunikation und Plasma eingesetzt Wissenschaften [3,4,5]. Bei dieser Technologie ist es jedoch schwierig, die Emissionsfrequenz abzustimmen, da sie durch die feste wellenleitende Struktur vorgegeben ist und die Größe dieser Struktur normalerweise in Millimeter oder Zentimeter angegeben wird. Eine andere Methode besteht darin, den Transferelektroneneffekt in einer Gunn-Diode anzuwenden [6,7,8,9]. Das Halbleitermerkmal der Gunn-Diode ist sehr attraktiv, da ihre Größe von mehreren zehn Mikrometern bis hin zu Submikrometern reichen kann. Auch die abgegebene Leistung kann sich sehen lassen:von mehreren bis zu mehreren zehn Milliwatt. Das Gerät erfordert jedoch normalerweise andere Schaltungen, um ein gutes Signal bereitzustellen, und es hat auch eine begrenzte Frequenzabstimmbarkeit, die durch die inhärente Trägerübertragungszeit über die Länge des Geräts begrenzt ist [10].

Zusätzlich zu diesen traditionellen Methoden erfordert die zukünftige drahtlose Basisstation nicht nur eine hohe Effizienz, sondern auch einen geringen Platzbedarf und einen großflächigen Einsatz. Eine kleine Stationsarchitektur und die Implementierung eines massiven Systems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen demonstrieren den Bedarf an Mikrowellenphotonik [11]. Photonische Geräte und Infrastrukturen können die Komplexität eines Netzwerks reduzieren, die Übertragungsreichweite erhöhen und die Übertragungssicherheit verbessern. Eine Kombination aus einer Picozelle (Small Cell) und einem Glasfasernetz kann eine große Datenmenge effizient über eine große Distanz übertragen [12]. Daher ist ein anderer Typ von photonischer Vorrichtung erforderlich, um solche Schemata zu realisieren, insbesondere um ein starkes HF-Signal mit hoher Durchstimmbarkeit zu erzeugen und Multitasking zu ermöglichen. Für die HF-Erzeugung mit schmaler Linienbreite wurde ein injektionssynchronisiertes Lasersystem vorgeschlagen [13]. Die Überlagerung mehrerer Laser mit einer optischen Phasenregelschleife wurde verwendet, um hochwertige Ein- oder Zweikanal-HF-Signale und andere Schaltungen zu erzeugen, um ein gutes Signal bereitzustellen, und die Datenübertragung kann in diesen Schemata zuvor gezeigt werden [14,15, 16]. Eine Mehrfachlaserintegration zur Mikrowellenerzeugung kann unter Verwendung einer Arrayed Waveguide Grating (AWG)-Integration [17] und eines seriell kaskadierten programmierbaren Interrupt-Controllers [18] realisiert werden. Alle diese Studien haben sich auf präzise ausgerichtete Optiken und mehrere Laserquellen verlassen, um genügend Photonen für die Wechselwirkung bereitzustellen.

Um den erforderlichen Platzbedarf des Systems weiter zu reduzieren, ist ein integriertes Design erforderlich. Unter Berücksichtigung aller bisher veröffentlichten Methoden glauben wir, dass die integrierte photonische Mikrowellenerzeugung ein guter Kandidat sein könnte [18], da (a) die Größe des Chips ähnlich wie bei Si-Wafern verkleinert werden kann. Die aktuelle Größe unserer photonischen Chips kann von mehreren zehn bis mehreren hundert Mikrometern reichen, aber eine weitere Reduzierung des Platzbedarfs ist möglich. (b) Photonisches Mischen kann einige der besten HF-Signale in der Literatur der Vergangenheit liefern. Beispielsweise kann durch die Verwendung des Injection-Locking-Schemas das Phasenrauschen stark reduziert werden, was für das HF-Signal sehr wichtig ist [19]. (c) Externer elektrischer Strom für weit abstimmbare HF-Signale. Durch Anpassen der Injektionsströme können die photonischen Mikrowellenchips leicht einen breiten Frequenzbereich über verschiedene Wechselwirkungen von Photonen wie Brechungsindexänderung oder optische Überlagerung usw. realisieren [20, 21]. Die Vielfalt der physikalischen Eigenschaften von Photonen macht photonische Chips in Bezug auf die Frequenzabstimmung sehr vielseitig. Um die oben genannten photonischen Vorteile voll auszuschöpfen, sollen unterschiedliche Farben kohärenter Photonen in dieses Chipdesign integriert werden können. In dieser Studie wurde erstmals ein dreiteiliger Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) mit optischer DBR-Isolation entwickelt. Der vorgeschlagene Laser kann entweder als einfacher abstimmbarer HF-Träger oder als Träger- und Datenquelle mit zwei HF-Tönen arbeiten. Die Eigenschaften dieses integrierten Geräts können vollständig untersucht und analysiert werden, und wir gehen davon aus, dass dieses Gerät für die zukünftige photonische Mikrowellenintegration von Vorteil sein kann.

Methoden

Geräteherstellung

In dieser Studie wurden zunächst Wafer unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungssystems gezüchtet. Als aktiver Bereich wurden InGaAsP-Quantentöpfe verwendet, und die angestrebte Laserwellenlänge betrug ungefähr 1550  nm. Die Gitter der DFB-Laser wurden mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt. Nach Abschluss des Epitaxieverfahrens wurde der Wafer mit den Standard-Halbleiterprozessen Filmabscheidung, Trocken-/Nassätzung und Metallisierung bearbeitet, die in [21] beschrieben sind. Der Wafer wurde auf 100 µm gedünnt und für die rückseitige Metallkontaktabscheidung (AuGe/Ni/Au) poliert, um alle Verarbeitungsschritte abzuschließen. Der nächste Schritt wäre das Schneiden des Wafers in Stäbe und das Würfeln der Stäbe in Chips zum Verpacken. Die Größe des Chips beträgt 250 × 900 μm ² . Der integrierte Laserchip wurde auf einem Keramik-Submount befestigt und zum Sondieren und Testen drahtgebondet. Ein Luft/Halbleiter-verteilter Bragg-Reflektor wurde unter Verwendung eines nanoskaligen fokussierten Ionenstrahlsystems (FIB) (Tescan Modell Nr. GAIA3) geätzt. Die FIB-Technologie verwendet beschleunigte Ga-Ionen mit einer Energie von 30 keV und einem Strahlstrom von 0,4 nA, um den Zielhalbleiter (wie InP oder Si) wegzubeschussen. Mit seiner Genauigkeit im Nanometerbereich kann das FIB-System den Schnittpunkt-DBR für den Dreibereichslaser realisieren. Der DBR besteht aus Luft- und InP-Abschnitten mit einer Breite von 1162 nm für den Luftabschnitt und 584 nm für den InP-Abschnitt. Die tiefste Ätzung beträgt 7 µm in den Wafer. Um die Grenzflächenrauheit von Luft/Halbleiter zu kontrollieren, haben wir die FIB-Ätzrate auf 33 nm/s optimiert. Abbildung 1 zeigt den Schaltplan und das REM-Bild des fertigen Geräts. Die 2,5 Paare von Luft-/InP-DBRs zwischen den Abschnitten können sowohl ein hohes optisches Reflexionsvermögen als auch eine elektrische Isolierung bieten und teilen einen integrierten Chip in drei Abschnitte:S₁ , M und S₂ , wie in Abb. 1 gezeigt. Wir passen die Notation von Injection-Locking-Lasern an, bei denen die Master- und Slave-Laser üblicherweise zum Pumpen und gepumpten Geräten verwendet werden.

Schematische und REM-Aufnahme des DFB-Lasergeräts mit drei Abschnitten

Optische Überlagerung

Die optische Überlagerung ist eine Methode zur Erzeugung eines HF-Signals in vielen photonischen Mikrowellenstrukturen [22, 23]. Diese Technik erzeugt ein abstimmbares HF-Signal durch Mischen verschiedener Wellenlängen von Photonen [24, 25]. Zuerst haben wir die beiden unterschiedlichen Signale E . definiert ₁ und E ₂ wie folgt:

wo E ₀₁ und E ₀₂ sind die Amplituden, ω ₁ und ω ₂ sind die Frequenzen und φ ₁ und φ ₂ sind die Phasen, die E entsprechen ₁ und E ₂ , bzw. Dann ist die Intensität des gesamten Mischsignals I _t kann wie folgt beschrieben werden [26]:

Beim Messen des Gesamtsignals wird nur das E ₀₁ E ₀₂ × cos[(ω₁ − ω₂ )t + (φ₁ − φ₂ )]-Term kann beobachtet werden, weil die hochfrequenten Terme (wie ω ₁ und ω ₂ und ω ₁ + ω ₂ ) liegen oberhalb der Nachweisgrenze des Photodetektors. Das endgültig erkannte HF-Signal wird mit der folgenden Frequenz erhalten:

In der aktuellen Vorrichtung können Photonen mit mehreren Wellenlängen gleichzeitig erzeugt werden, so dass ein Heterodyn bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig auftreten kann. Da die Emissionswellenlänge jedes Lasers durch den Injektionsstrom gesteuert werden kann, können verschiedene Kombinationen von Strömen einzelne und duale HF-Ausgangssignale von demselben Gerät liefern. Diese Bedingungen werden später in diesem Artikel erörtert.

Messsystem

Um Lasergeräte angemessen zu bewerten, wird die Ausgangsleistung sorgfältig in einen kalibrierten Photodetektor (PD) eingekoppelt. Das Faserende wurde bei einer Neigung von 8° gespalten, um die Facettenreflexion zu reduzieren. Ein Polarisationscontroller und geeignete Isolatoren wurden installiert, um eine minimale Rückkopplung zum Laser und eine maximale Ausgangsleistung nach der Überlagerung sicherzustellen. Ein Erbium-dotierter Faserverstärker ist eine optionale Ausrüstung, die bei ausreichend starkem Signal vernachlässigt werden kann. Ein Hochgeschwindigkeits-Photodetektor (ein 50-GHz-PD, u2tPhotonics®, AG) oder ein anderer PD (1414, New Focus®) wurde verwendet, um das gemischte photonische Signal zu detektieren. Das nach der Überlagerung erhaltene elektrische Signal wurde in einen Signalanalysator (N9030PXA, Keysight®) eingegeben und das Differenzfrequenzspektrum des Signals wurde präsentiert. Auf der anderen Seite wurde das kombinierte optische Spektrum mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA; AQ6317B, Ando®) gelesen.

Ergebnisse

DC-Geräteeigenschaften

Sobald die Herstellung der Vorrichtung abgeschlossen ist, können die DC-Eigenschaften getestet werden. Abbildung 2a zeigt die generischen Leistungs-Strom-Spannungs-Kurven (L-I-V) eines generischen DFB-Lasers, der unter Verwendung dieses Wafers hergestellt wurde. Der Schwellenstrom kann kleiner als 10 mA sein. Die einzelnen Geräte haben einen 300 µm langen Resonator und eine Ausgangsleistung im Milliwatt-Bereich. Das Gitter in der Struktur liefert die notwendige Rückkopplung und Modusauswahl, damit der Laser im Einzelmodus arbeiten kann. Das beim Einschalten der drei Laser beobachtete Leistungsspektrum ist in Fig. 2b dargestellt. Für den Einzel-DFB-Fall wurde ein High-Side-Mode-Unterdrückungsverhältnis von mehr als 50 dB gemessen. Für eine erfolgreiche optische Überlagerung ist ein günstiger Singlemode-Betrieb unabdingbar. Wenn die optischen Signale von beiden Seiten aufgenommen werden, wird der S₁ und S₂ Abschnitte zeigen eine stärkere Reaktion verglichen mit der Reaktion des mittleren Abschnitts (M-Abschnitt), wie in 2b dargestellt, wegen der hohen Reflexion von den zentralen DBR-Abschnitten, die die Ausgangsleistung vom M-Abschnitt blockieren. Der optische Modenabstand kann unter Verwendung der elektrischen Injektionsströme geändert werden. Diese Flexibilität bietet eine Vielzahl von Kombinationen der drei Moden dieser Laser. Abbildung 3 zeigt die stromabhängigen optischen Spektren. Alle drei Peaks können eingestellt werden, und der Abstand zwischen zwei Peaks kann für die HF-Signalerzeugung kritisch sein. Wenn die beiden Peaks ausreichend nahe beieinander liegen, tritt zwischen diesen beiden Photonenwellenlängen eine Vierwellenmischung (FWM) auf [27]. Wenn zwei Peaks weit auseinander liegen, ist kein FWM-Effekt vorhanden. Die FWM verbessert sich durch die nichtlineare Modulation der Trägerkonzentration im Laserverstärkungsmedium [27]. Die Modulation führt zu einem stärkeren Heterodyn-Effekt zwischen verschiedenen Farben von Photonen und kann ein stärkeres HF-Ausgangssignal erzeugen. In der oberen Kurve in Abb. 3 werden aufgrund dieser starken FWM-Wechselwirkung mehrere Peaks im optischen Spektrum erzeugt. Der Abstand zwischen den Spitzen ist immer noch der gleiche wie der Unterschied zwischen den beiden ursprünglichen Mischfrequenzen.

a Generische LIV-Kurven des DFB-Lasers. b Optisches Spektrum mit einem, zwei und drei eingeschalteten DFB-Lasern

Optisches Spektrum eines Dreisektionslasers mit und ohne FWM-Effekt. Die Legende zeigt die Stromkombination (in mA) von S₁ –M–S₂ Abschnitt in jedem Spektrum

Weit abstimmbare Singlemode-HF-Generierung

Wenn der Injektionsstrom variiert, variiert die Emissionswellenlänge des DFB-Lasers, wie oben erwähnt. Somit ändert sich das Ergebnis der optischen Überlagerung bei dieser Vorrichtung entsprechend. Das überlagerte HF-Signal kann mit einem Hochgeschwindigkeits-Photodetektor gemessen werden [20]. Die Qualität des Signals kann mit einem PXA-Setup identifiziert werden. Abbildung 4a zeigt detaillierte elektrische Spektren des synthetisierten HF-Signals. Das Singlemode-Signal steigt um 40,4 dB über das Grundrauschen und die Spitzenintensität kann bis zu –20 dB betragen. Die feinere Auflösung des HF-Spektrums zeigt die Details des Signals, und das Spektrum kann mit der Lorentz-Funktion angepasst werden, um die Linienbreite zu bestimmen. Die übliche Linienbreite beträgt ungefähr 12 bis 16 MHz, wie in Fig. 4b gezeigt. Die individuelle Linienbreite des HF-Peaks wird durch die Addition der Linienbreiten der Peaks der DFB-Laser definiert, die in diesem Wafer von 5 bis 7 MHz reicht. Eines der wichtigen Merkmale dieses Designs ist die weit abstimmbare Singlemode-HF-Generation. Die Kombination der drei Lasertöne bietet einen breiteren HF-Verteilungsbereich. Ein Singlemode-HF-Signal kann kontinuierlich von 2 bis 45 GHz abgestimmt werden.

Elektrische Spektren des synthetisierten HF-Signals. a Singlemode-HF-Signal. b Die Linienbreitenschätzung des Singlemode-HF-Signals

Betrieb im Dual-RF-Modus

Aufgrund des zusätzlichen dritten Abschnitts im Laser kann das integrierte Gerät kompliziertere HF-Signalmuster liefern als die Laser mit zwei Abschnitten. Der steuerbare Dual-RF-Modus könnte für verschiedene Zwecke ein günstiges Merkmal sein. Bei diesem Gerät tritt der Dualmodus nur auf, wenn die drei Wellenlängen der Laser nahe beieinander liegen. Wenn der FWM-Effekt von allen drei Lasern ausgelöst werden kann, werden zwei HF-Signale mit unterschiedlichen Frequenzen beobachtet. In Abb. 5 werden sowohl optische als auch elektrische Spektren nebeneinander angezeigt, um dieses Szenario zu veranschaulichen. In dieser Abbildung sind die Spitzen der Abschnitte S₁ und M sind nahe bei dem niedrigen Stromniveau. Somit tritt eine starke FWM zwischen den S₁ . auf und M-Abschnitte, und eine starke HF-Spitze wird um 7,86 GHz erzeugt (Spur A). Wir haben die Stromstärke von Abschnitt S₁ erhöht seine Spitze in Richtung Abschnitt S₂ rot verschieben . Die Haupt-HF-Spitzenfrequenz steigt, wenn der Abstand zwischen S₁ und M-Abschnitte werden groß (Spur B). Da jedoch die Spitzen des S₁ und S₂ Wenn sich die Abschnitte nähern, wird der Überlagerungseffekt zwischen diesen beiden Photonengruppen stärker. Somit wird in Spur C das Haupt-HF-Signal die Differenzfrequenz von S₁ und S₂ . Darüber hinaus ist die Interaktion zwischen S₁ und M bleibt, und ein dieser Wechselwirkung entsprechendes schwächeres HF-Signal wird bei 21,6 GHz beobachtet. Durch weitere Erhöhung des Stroms auf S₁ , nimmt die Frequenz des Hauptpeaks ab, da der Peak des Abschnitts S₁ Rot verschiebt sich zum Gipfel des Abschnitts S₂ . Währenddessen verschiebt sich die blaue Nebenspitze zu einer höheren Frequenz, weil die Spitze des Abschnitts S₁ entfernt sich von der Spitze des Abschnitts M (Spur C nach E).

Dual-Modus a optisch und b HF-Spektren unter verschiedenen Stromkombinationen. Die Ströme der S₂ und M Abschnitte werden gleich gehalten, während der Strom der S₁ Abschnitt wird von 20 bis 70 mA variiert (dargestellt in a ). In der Spur A, λ_M <λ_S1 <λ_S2 , und die Sequenz wird zu λ_M <λ_S2 <λ_S1 in der Spur H

In Spur F, G und H der Abstand zwischen dem Emissionspeak von Abschnitt S₁ und M ist sehr groß. Somit tritt keine Vermischung zwischen diesen beiden Abschnitten auf und S₁ übertrifft allmählich S₂ wenn der Strom von S₁ erhöht. Die resultierende HF-Spitze nimmt zunächst ab und steigt dann frequenzmäßig an. Dieses Verhalten ähnelt dem zuvor demonstrierten Laser mit zwei Abschnitten.

Diskussion

Auswirkung der Anzahl der Paare

Der DBR wird zwischen die Laser eingefügt, um eine optische Isolierung zwischen den Hohlräumen bereitzustellen, um eine ausreichende Reflexion zwischen den beiden Facetten jedes Abschnitts des DFB-Lasers bereitzustellen, um die Wahrscheinlichkeit des Erhaltens einer Einmoden-Emission zu erhöhen, und um schließlich eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen . bereitzustellen die Abschnitte. Wenn die Anzahl der Paare sehr gering ist, reicht die elektrische Isolierung möglicherweise nicht aus, um das unabhängige Pumpen zwischen den Abschnitten aufrechtzuerhalten. Da der Widerstand einer einzelnen Laserdiode ungefähr 10 Ω oder weniger beträgt, ist eine elektrische Isolierung von 10 ³ Ω oder höher wird bevorzugt. Wenn die Anzahl der DBR-Paare sehr klein ist, können die einzelnen Abschnitte außerdem ihr eigenes Reflexionsvermögen der vorderen oder hinteren Facetten nicht unterscheiden, und dies kann zu unvorhersehbaren Lasermoden in den vorderen und hinteren Abschnitten führen (S₁ und S₂ ). Für den mittleren Abschnitt (M-Abschnitt) verursachen weniger Paare von DBRs einen schlechteren Resonanzzustand und eine geringe Resonator-Feinheit, was zu überhaupt keinem Lasern führt. Umgekehrt, wenn die Anzahl von DBR-Paaren zu groß ist, kann der mittlere Abschnitt im Mehrfachmodus lasern. Ein solches Lasern verursacht sehr wenig, manchmal null, HF-Ausgang.

Funktion des Mittelteils

Aufgrund der begrenzten FWM-Reichweite in unseren zweiteiligen Geräten war die HF-Peak-Abstimmung manchmal zwischen 20 und 30 GHz begrenzt. Der stark gekoppelte Zweisektionslaser kann auch viele komplizierte nichtlineare Betriebsmodi wie Periode 1 und Chaos erzeugen, wie zuvor gezeigt wurde [20]. Als der dritte Abschnitt in den Laserchip eingefügt wurde, wurde der Abstimmbereich aufgrund des zusätzlichen thermischen Abstimmeffekts der Geräte verbessert. Wie in Fig. 6 gezeigt, wenn die Ströme von S₁ und S₂ Abschnitte fest sind, kann der linear variierende Strom des M-Abschnitts eine zusätzliche Erhöhung der HF-Abstimmung von 1,68 GHz bewirken. Der erhaltene Peak des M-Abschnitts verursacht keine starke optische Mischung, und daher finden alle wichtigen HF-Wechselwirkungen zwischen den Photonen des S₁ . statt und S₂ Abschnitte. Die leichte Zunahme der Spitzentrennung ist auch in den Spuren mit hohen Eingangsströmen des M-Teils zu beobachten. Bei anderen Geräten wurde ein Anstieg der HF von bis zu 3,82 GHz verzeichnet. Diese zusätzliche Änderung der synthetisierten HF-Frequenz aufgrund des zusätzlichen M-Abschnittsstroms kann das kontinuierliche Abstimmen in dem Drei-Abschnitt-Laser machbarer machen. Ein Vergleich zwischen I _M Werte von 0 und 65 mA in einem bestimmten Gerät ergeben einen Unterschied von 7,52 GHz (Δf =42,81 GHz für I _M =65 mA und Δf =35,29 GHz für I _M =0) im Abstimmbereich. Im Allgemeinen können bei elektrisch aktivierter M-Sektion mehrere GHz-Abstimmbereich hinzugefügt werden und die Änderung der Stromkombinationen kann sich summieren und den gesamten Abstimmbereich erheblich erhöhen. Dieses Phänomen kann auf eine ungleiche Abhängigkeit der thermischen Wellenlänge in den einzelnen Geräten zurückgeführt werden. Die Ungleichheit ist auf Faktoren wie lokale Dotierungsvariationen, einen ungeschnittenen FIB-Bereich (der Leckage verursacht) und die nichtlineare Stromabhängigkeit der Emissionswellenlänge zurückzuführen. In den meisten Fällen steigt die HF-Spitzenfrequenz tendenziell an, wenn der dritte Abschnitt aktiviert wird.

Optisches Spektrum eines Dreisektionslasers mit zwei Seitensektionen (S₁ und S₂ ) mit festen Eingängen. Der in den mittleren Abschnitt (M) eingespeiste Strom erhöht sich von 0 auf 70 mA. Der Einschub zeigt die entsprechende Anstiegsfrequenz in den RFs

Einzel- oder Dualmodus

Die Analyse der Drei-Sektions-Laseroperation erscheint zunächst kompliziert. In diesem Abschnitt bringen wir eine grundlegende Frage in die Perspektive, ob das Gerät im Single- oder Dual-Modus betrieben wird. Abbildung 7 zeigt die beiden gängigsten Betriebsarten unseres Dreisektionslasers. Die gegenseitigen Orte in der optischen Domäne zeigten, dass zwei Fälle betrachtet wurden:Im ersten Fall war der dritte Peak weit von den verbleibenden zwei Peaks entfernt. Im zweiten Fall lag der dritte Peak aktiv in der Nähe der Peaks im S₁ und S₂ Abschnitte. Im ersten Fall, der in Abb. 7a gezeigt ist, haben die weit entfernten Photonen (Peak des M-Abschnitts) sehr wenige Wechselwirkungen mit den anderen beiden Peaks (Peaks des S₁ und S₂ Abschnitte). Nur die Spitzen des S₁ und S₂ Abschnitte sind ausreichend nahe, um den FWM-Effekt zu zeigen. In diesem Zustand verhält sich der Dreisektionslaser wie der zuvor demonstrierte Zweisektionslaser und ein einzelner HF-Peak wird durch Mischen der Peaks von S₁ . erzeugt und S₂ Abschnitte. Die Funktion des Peaks des M-Abschnitts besteht darin, eine Erweiterung oder Reduzierung des RF-Peaks basierend auf den thermischen Wellenlängenkoeffizienten der DFB-Abschnitte bereitzustellen. Im zweiten Fall, der in Fig. 7b gezeigt ist, liegen die drei Spitzen nahe beieinander. Dieser Fall ist komplizierter. Die Nähe der Photonenwellenlängen führt zur Erzeugung des FWM-Effekts, und aufgrund dieses Phänomens kann mehr als eine Differenzfrequenz erzeugt werden. Somit sind die beiden besten Kombinationen unter den S₁ , S₂ , und M Abschnitte liefern die konstituierenden Komponenten im HF-Spektrum, und der Laser kann im dualen HF-Modus arbeiten. Sobald jedoch einer der FWM durch die Trennung der Spitzen aufgrund der Stromeinspeisung geschwächt ist, kehrt das Gerät in den Einzelmodus zurück.

Umfassendes Diagramm der Betriebsarten für Drei-Sektions-DFB-Laser:a Ein Gipfel ist weit weg und die anderen beiden liegen nahe beieinander und b alle drei Gipfel liegen nahe beieinander

Schlussfolgerungen

Zur HF-Erzeugung wurde ein Dreisektionslaser hergestellt. Bei diesem Laser wurden 2,5 InP/Luft-Paare von DBRs zwischen den Abschnitten platziert. Dieser Mehrsektionslaser liefert ein Einmoden-HF-Signal mit hoher Durchstimmbarkeit von 2 bis 45 GHz. Der zusätzliche dritte Abschnitt ermöglicht die thermische Abstimmung für diesen Single-Mode-Betrieb und ist auch für den Dual-RF-Mode-Betrieb unerlässlich. Aus den optischen Spektren wurde ein starkes FWM-Phänomen beobachtet und durch die Durchführung einer HF-Peak-Messung bestätigt. Zur Verifikation der HFs kann das stromabhängige Wellenlängenverschiebungsmodell angewendet werden. Der vorgeschlagene Laser mit drei Abschnitten bietet eine 21,3%ige Verbesserung des HF-Abstimmbereichs im Vergleich zum Bereich des Lasers mit zwei Abschnitten. Neben dem Single-Mode-Betrieb wurde auch ein Dual-Mode-HF-Signal demonstriert, wenn die Wellenlängen der drei Laser nahe beieinander liegen. Die HF-Frequenzen im Dual-Mode-Betrieb können durch die Gleichstrominjektion in jeden der Abschnitte modifiziert werden. Wir glauben, dass der vorgeschlagene Laser nützlich sein wird, um die Leistung zukünftiger photonischer Mikrowellengeräte zu verbessern und ein hocheffizientes photonisches Mikrowellennetzwerk zu erhalten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten und Materialien im Manuskript sind verfügbar.

Abkürzungen

DBRs:

Verteilte Bragg-Reflektoren

RF:

Hochfrequenz

AWG:

Arrayed Waveguide-Gitter

BWO:

Rückwärtsoszillatoren

DFB:

Verteiltes Feedback

FIB:

Fokussierter Ionenstrahl

PD:

Fotodetektor

OSA:

Optischer Spektrumanalysator

FWM:

Vierwellenmischung