Monolithischer Drei-Sektionen-DFB-Laser ermöglicht breitbandige Einzel-/Dual-RF-Generierung

Zusammenfassung

Ein dreisektionaler Distributed-Feedback-Laser mit 2,5 InP/Luft-Paaren von Distributed-Bragg-Reflektoren (DBRs) wurde gefertigt und hinsichtlich seiner Mikrowellen-Generierungsfähigkeit analysiert. Ein breit abstimmbares einzelnes Radiofrequenzsignal (RF) kann durch optisches Heterodynen detektiert werden, und der Abstimmbereich reicht von 2 bis 45 GHz. Die Einbindung der dritten Sektion bietet die Möglichkeit, den Dual-RF-Betrieb darzustellen, wenn drei Emissionspeaks im Wellenlängenbereich nahe beieinander liegen. Das vorgeschlagene Design bietet eine 21,3 %ige Verbesserung des RF-Abstimmbereichs im Vergleich zum Bereich eines Zweisektionen-Lasers (35,29 GHz versus 42,81 GHz). Die Kompaktheit des vorgeschlagenen Bauelements kann für zukünftige Radio-over-Fiber-Anwendungen nützlich sein.

Einleitung

Mit dem Aufkommen zukünftiger neuartiger drahtloser Technologien hat sich die Installation von Mobilfunknetzen in eine neue Ära entwickelt: eine große Anzahl von Mikro- oder Nano-Basisstationen wird benötigt, und eine energieeffiziente Mikrowellenübertragung kann erwartet werden [1, 2]. Um diese drahtlose Infrastruktur zu konstruieren, ist eine gute Mikrowellenquelle notwendig. In der Vergangenheit wurden mehrere Methoden vorgeschlagen und demonstriert, um Mikrowellen zu generieren (wie X/Ka-Bänder). Die Verwendung von Elektronenstrahl- und Rückwärtsoszillatoren (BWO) kann hohe Intensität von Mikrowellen liefern (normalerweise im Bereich von mehreren hundert Megawatt bis sogar Gigawatt), und sie werden breit in den Bereichen Radar, Fernerkundung, Kommunikation und Plasmaphysik angewendet [3-5]. Allerdings ist diese Technologie schwierig abzustimmen, da die Emissionsfrequenz durch die feste Wellenleitstruktur vorbestimmt ist, und die Größe dieser Struktur beträgt normalerweise Millimeter oder Zentimeter. Eine andere Methode ist die Anwendung des übertragenen Elektroneneffekts in einer Gunn-Diode [6-9]. Der Halbleitercharakter der Gunn-Diode ist sehr attraktiv, da ihre Größe von Zehnern von Mikrometern bis sogar Sub-Mikrometern reichen kann. Die abgegebene Ausgangsleistung ist auch beeindruckend: von mehreren bis zu Zehnen von Milliwatt. Aber das Bauelement erfordert normalerweise andere Schaltungen, um ein gutes Signal zu liefern, und es hat auch eine begrenzte Frequenzabstimmbarkeit, die durch die inhärente Trägertransitzeit über die Länge des Bauelements begrenzt ist [10].

Zusätzlich zu diesen traditionellen Methoden erfordert die zukünftige drahtlose Basisstation nicht nur hohe Effizienz, sondern auch kleine Grundfläche und großflächige Bereitstellung. Eine kleine Stationsarchitektur und die Implementierung eines massiven Multiple-Input-Multiple-Output-Systems demonstrieren den Bedarf an Mikrowellenphotonik [11]. Photonische Bauelemente und Infrastrukturen können die Komplexität eines Netzwerks reduzieren, die Übertragungsdistanz erhöhen und die Übertragungssicherheit verbessern. Eine Kombination aus einer Picocell (kleine Zelle) und einem Glasfasernetzwerk kann effizient eine große Datenmenge über große Distanzen übertragen [12]. Daher ist ein anderer Typ photonischer Bauelemente notwendig, um solche Schemata zu realisieren, insbesondere um ein starkes RF-Signal mit hoher Abstimmbarkeit zu generieren und Multitasking zu ermöglichen. Ein injektionsverriegelter Lasersystem wurde für schmalbandige RF-Generierung vorgeschlagen [13]. Heterodynen mehrerer Laser mit einem optischen Phasenverriegelten Loop wurde verwendet, um hochwertige Einzel- oder Dual-Channel-RF-Signale zu generieren, und andere Schaltungen, um gutes Signal zu liefern, und Datenübertragung konnte in diesen Schemata zuvor gezeigt werden [14-16]. Mehrere Laserintegration für Mikrowellengenerierung kann mittels Arrayed-Waveguide-Grating (AWG) Integration [17] und einem seriell kaskadierten programmierbaren Interrupt-Controller [18] realisiert werden. All diese Studien haben auf präzise ausgerichtete Optik und mehrere Laserquellen vertraut, um ausreichend Photonen zur Interaktion bereitzustellen.

Um den erforderlichen Fußabdruck des Systems weiter zu reduzieren, ist ein integriertes Design notwendig. In Anbetracht aller zuvor veröffentlichten Methoden glauben wir, dass integrierte mikrowellenphotonische Generierung ein guter Kandidat sein könnte [18], weil (a) die Größe des Chips ähnlich wie Si-Wafer skaliert werden kann. Die aktuelle Größe unserer photonischen Chips kann von Zehnern bis Hunderten von Mikrometern reichen, aber weitere Reduktion des Fußabdrucks ist möglich. (b) Photonisches Mischen kann einige der besten RF-Signale in der bisherigen Literatur liefern. Zum Beispiel kann durch Verwendung eines Injektionsverriegelungsschemas das Phasenrauschen stark reduziert werden, was für das RF-Signal sehr wichtig ist [19]. (c) Externer elektrischer Strom für breit abstimmbares RF-Signal. Durch Anpassen der Injektionsströme können mikrowellenphotonische Chips leicht einen weiten Bereich der Frequenzgenerierung durch verschiedene Wechselwirkungen von Photonen wie Brechungsindexänderung oder optisches Heterodynen realisieren [20, 21]. Die Vielfalt der physikalischen Eigenschaften von Photonen macht photonische Chips sehr vielseitig in Bezug auf Frequenzabstimmung. Um die oben genannten photonischen Vorteile voll auszunutzen, müssen verschiedene Farben kohärenter Photonen in diesem Chip-Design integriert werden können. In dieser Studie wurde erstmals ein dreisektionaler Distributed-Feedback (DFB) Laser mit DBR-optischer Isolation entwickelt. Der vorgeschlagene Laser kann entweder als einfacher abstimmbarer RF-Träger oder als Träger und Datenquelle mit zwei RF-Tönen arbeiten. Die Eigenschaften dieses integrierten Bauelements können vollständig untersucht und analysiert werden, und wir postulieren, dass dieses Bauelement für zukünftige mikrowellenphotonische Integration vorteilhaft sein kann.

Methoden

Bauelementfertigung

In dieser Studie wurden Wafer zunächst mit einem Metallorganisch-Chemische-Gasphasenabscheidungssystem gezüchtet. InGaAsP-Quantenwellen wurden als aktiver Bereich verwendet, und die gezielte Laserwellenlänge betrug ungefähr 1550 nm. Die Gitter der DFB-Laser wurden mit Elektronenstrahl-Lithografie hergestellt. Nach Abschluss des epitaktischen Verfahrens wurde der Wafer mit den Standard-Halbleiterprozessen der Schichtabscheidung, Trocken-/Nassätzen und Metallisierung verarbeitet, die in [21] beschrieben sind. Der Wafer wurde auf 100 µm verdünnt und poliert für die Rückseiten-Metallkontaktabscheidung (AuGe/Ni/Au), um alle Verarbeitungsschritte abzuschließen. Der nächste Schritt wäre das Schneiden des Wafers in Riegel und das Dicing der Riegel in Chips für das Packaging, und die Chipgröße beträgt 250 × 900 µm². Der integrierte Laserchip wurde auf einem Keramik-Submount befestigt und drahtgebunden für Probing und Testen. Ein Luft/Halbleiter-Distributed-Bragg-Reflektor wurde mit einem nanoskaligen Fokussierten-Ionenstrahl-System (FIB) (Tescan Modell Nr. GAIA3) geätzt. FIB-Technologie verwendet beschleunigte Ga-Ionen mit 30 keV Energie und 0,4 nA Strahlstrom, um das Ziel-Halbleitermaterial (wie InP oder Si) wegzubombardieren. Mit seiner Nanometer-Skala-Genauigkeit kann das FIB-System den Sektions-DBR für den Dreisektionen-Laser 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. Der tiefste Ätzgang beträgt 7 µm in den Wafer. Um die Grenzflächenrauheit von Luft/Halbleiter zu kontrollieren, optimierten wir die FIB-Ätzrate auf 33 nm/s. Abb. 1 zeigt das Schema und das SEM-Bild des fertigen Bauelements. Die 2,5 Paare von Luft/InP-DBRs zwischen den Sektionen können sowohl hohe optische Reflektivität als auch elektrische Isolation bieten, und sie teilen einen integrierten Chip in drei Sektionen auf: S₁, M und S₂, wie in Abb. 1 gezeigt. Wir adaptieren die Notation von Injektionsverriegelungslasern, in denen Master- und Slave-Laser häufig für Pumpen und gepumpte Bauelemente verwendet werden.

Optisches Heterodynen

Optisches Heterodynen ist eine Methode zur Generierung eines RF-Signals in vielen mikrowellenphotonischen Strukturen [22, 23]. Diese Technik erzeugt ein abstimmbares RF-Signal durch Mischen verschiedener Wellenlängen von Photonen [24, 25]. Zunächst definierten wir die zwei verschiedenen Signale E₁ und E₂ wie folgt:

E₁ = E₀₁(ω₁t + φ₁)

E₂ = E₀₂(ω₂t + φ₂)

wobei E₀₁ und E₀₂ die Amplituden, ω₁ und ω₂ die Frequenzen und φ₁ und φ₂ die Phasen sind, die E₁ und E₂ entsprechen. Dann kann die Intensität des gesamten Mischsignals I_t wie folgt beschrieben werden [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)]}

Bei der Messung des Gesamtsignals kann nur der Term E₀₁E₀₂ × cos[(ω₁ - ω₂)t + (φ₁ - φ₂)] beobachtet werden, da die Hochfrequenzterme (wie ω₁ und ω₂ und ω₁ + ω₂) über der Detektionsgrenze des Photodetektors liegen. Das finale detektierte RF-Signal wird bei der folgenden Frequenz erhalten:

Δf = c(1/λ₁ - 1/λ₂)

Im aktuellen Bauelement können Photonen mit mehreren Wellenlängen gleichzeitig generiert werden, sodass ein Heterodynen bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig auftreten kann. Da die Emissionswellenlänge jedes Lasers durch den Injektionsstrom kontrolliert werden kann, können verschiedene Stromkombinationen Einzel- und Dual-RF-Ausgangssignale vom selben Bauelement liefern. Diese Bedingungen werden später in der Arbeit diskutiert.

Messsystem

Um Laserbauelemente angemessen zu bewerten, wird die Ausgangsleistung sorgfältig in einen kalibrierten Photodetektor (PD) eingekoppelt. Das Faserende wurde mit einem 8°-Winkel gekappt, um Facettenreflexion zu reduzieren. Ein Polarisationscontroller und geeignete Isolatoren wurden installiert, um minimales Feedback zum Laser und maximale Ausgangsleistung nach Heterodynen sicherzustellen. Ein Erbium-dotierter Faserverstärker ist ein optionales Gerät, das vernachlässigt werden kann, wenn das Signal ausreichend stark ist. 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 Heterodynen erhaltene elektrische Signal wurde in einen Signalanalysator (N9030PXA, Keysight®) eingespeist, und das differentielle Frequenzspektrum des Signals wurde präsentiert. Auf der anderen Seite wurde das kombinierte optische Spektrum mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA; AQ6317B, Ando®) ausgelesen.

Ergebnisse

DC-Bauelementcharakteristiken

Sobald die Bauelementfertigung abgeschlossen ist, können die DC-Charakteristiken getestet werden. Abb. 2a zeigt die generischen Leistungs-Strom-Spannungs-Kurven (L-I-V) eines generischen DFB-Lasers, der mit diesem Wafer gefertigt wurde. Der Schwellenstrom kann kleiner als 10 mA sein. Die einzelnen Bauelemente haben eine 300-µm lange Kavität und Ausgangsleistung in der Größenordnung von Milliwatt. Das Gitter in der Struktur liefert die notwendige Rückkopplung und Modenselektion, um den Laser im Einzelmodus betrieben zu lassen. Das Leistungsspektrum, das beobachtet wird, wenn die drei Laser eingeschaltet sind, wird in Abb. 2b präsentiert. Ein hohes Seitenmoden-Unterdrückungsverhältnis von mehr als 50 dB wurde für den einzelnen DFB-Fall gemessen. Günstiger Einzelmodusbetrieb ist essenziell für den Erfolg des optischen Heterodynens. Wenn die optischen Signale von den beiden Seiten entnommen werden, zeigen die S₁- und S₂-Sektionen eine stärkere Antwort im Vergleich zur Antwort der Mittelsektion (M-Sektion), wie in Abb. 2b dargestellt, aufgrund der hohen Reflexion der zentralen DBR-Sektionen, die die Ausgangsleistung der M-Sektion blockieren. Der optische Modenabstand kann durch die elektrischen Injektionsströme geändert werden. Diese Flexibilität bietet eine Vielzahl von Kombinationen der drei Modi dieser Laser. Abb. 3 zeigt die stromabhängigen optischen Spektren. Alle drei Peaks können angepasst werden, und der Abstand zwischen zwei Peaks kann kritisch für die RF-Signalgenerierung sein. Wenn zwei Peaks ausreichend nah beieinander sind, tritt Vierwellenmischen (FWM) zwischen diesen beiden Wellenlängen von Photonen auf [27]. Wenn zwei Peaks weit auseinander liegen, ist kein FWM-Effekt vorhanden. Der FWM wird durch die nichtlineare Modulation der Trägerkonzentration im Laserverstärkungsmedium verstärkt [27]. Die Modulation führt zu einem stärkeren Heterodyneneffekt zwischen verschiedenen Farben von Photonen und kann ein stärkeres RF-Ausgangssignal erzeugen. In der oberen Kurve in Abb. 3 werden mehrere Peaks im optischen Spektrum aufgrund dieser starken FWM-Wechselwirkung generiert. Der Abstand zwischen den Peaks ist immer noch der gleiche wie der Unterschied zwischen den zwei ursprünglichen gemischten Frequenzen.

Breit abstimmbare Einzelmodus-RF-Generierung

Wenn der Injektionsstrom variiert, variiert die Emissionswellenlänge des DFB-Lasers, wie oben erwähnt. Daher ändert sich das Ergebnis des optischen Heterodynens in diesem Bauelement entsprechend. Das heterodynierte RF-Signal kann mit einem Hochgeschwindigkeits-Photodetektor [20] gemessen werden. Die Qualität des Signals kann mit einem PXA-Setup identifiziert werden. Abb. 4a zeigt detaillierte elektrische Spektren des synthetisierten RF-Signals. Das Einzelmodus-Signal erhebt sich 40,4 dB über dem Rauschboden, und die Spitzenintensität kann so hoch wie -20 dB sein. Die feinere Auflösung im RF-Spektrum enthüllt 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 Abb. 4b gezeigt. Die individuelle Linienbreite des RF-Peaks wird durch die Addition der Linienbreiten der Peaks der DFB-Laser definiert, die in diesem Wafer von 5 bis 7 MHz reichen. Eine der wichtigen Eigenschaften dieses Designs ist die breit abstimmbare Einzelmodus-RF-Generierung. Die Kombination der drei Laser-Töne bietet einen breiteren RF-Verteilungsbereich. Ein Einzelmodus-RF-Signal kann kontinuierlich von 2 bis 45 GHz abgestimmt werden.

Dual-RF-Modus-Betrieb

Aufgrund der zusätzlichen dritten Sektion im Laser kann das integrierte Bauelement komplexere RF-Signalmuster liefern als Laser mit zwei Sektionen. Der Dual-RF-Modus in kontrollierbarer Weise könnte ein günstiges Merkmal für verschiedene Zwecke sein. In diesem Bauelement tritt der Dual-Modus nur auf, wenn die drei Wellenlängen der Laser nahe beieinander liegen. Wenn der FWM-Effekt von allen drei Lasern initiiert werden kann, werden zwei RF-Signale mit unterschiedlichen Frequenzen beobachtet. In Abb. 5 werden sowohl optische als auch elektrische Spektren nebeneinander dargestellt, um dieses Szenario zu veranschaulichen. In dieser Abbildung sind die Peaks der Sektionen S₁ und M bei niedrigem Strompegel nah beieinander. Daher tritt ein starker FWM zwischen den S₁- und M-Sektionen auf, und ein starker RF-Peak wird um 7,86 GHz erzeugt (Spur A). Wir erhöhten den Strom der Sektion S₁, um ihren Peak in Richtung Sektion S₂ rotzuverschieben. Die Haupt-RF-Peak-Frequenz erhöht sich, wenn der Abstand zwischen S₁- und M-Sektionen groß wird (Spur B). Allerdings, da sich die Peaks der S₁- und S₂-Sektionen einander nähern, wächst der Heterodyneneffekt zwischen diesen beiden Photonengruppen stärker. Daher wird in Spur C das Haupt-RF-Signal zur differentiellen Frequenz von S₁ und S₂. Zudem bleibt die Wechselwirkung zwischen S₁ und M bestehen, und ein schwächeres RF-Signal, das dieser Wechselwirkung entspricht, wird bei 21,6 GHz beobachtet. Durch weiteres Erhöhen des Stroms auf S₁ verringert sich der Hauptpeak in der Frequenz, da der Peak der Sektion S₁ in Richtung des Peaks der Sektion S₂ rotverschoben wird. Gleichzeitig verschiebt sich der kleine Peak in Richtung höherer Frequenz, da der Peak der Sektion S₁ sich vom Peak der Sektion M entfernt (Spur C bis E).

In Spur F, G und H ist der Abstand zwischen dem Emissionspeak der Sektion S₁ und M sehr groß. Daher tritt keine Mischung zwischen diesen beiden Sektionen auf, und S₁ überholt S₂ allmählich, wenn der Strom von S₁ erhöht wird. Der resultierende RF-Peak verringert sich zuerst und erhöht sich dann in Bezug auf die Frequenz. Dieses Verhalten ähnelt dem zuvor demonstrierten Zweisektionen-Laser.

Diskussion

Einfluss der Anzahl der Paare

Der DBR wird zwischen den Lasern eingefügt, um optische Isolation zwischen den Kavitäten zu bieten, ausreichende Reflexion zwischen den beiden Facetten jeder Sektion des DFB-Lasers zu bieten, um die Wahrscheinlichkeit der Erlangung von Einzelmodusemission zu erhöhen, und schließlich ausreichende elektrische Isolation zwischen den Sektionen zu bieten. Wenn die Anzahl der Paare sehr klein ist, dann könnte die elektrische Isolation nicht ausreichend sein, um das unabhängige Pumpen zwischen den Sektionen aufrechtzuerhalten. Da der Widerstand einer einzelnen Laserdiode ungefähr gleich oder kleiner als 10 Ω ist, wird eine elektrische Isolation von 10³ Ω oder höher bevorzugt. Darüber hinaus, wenn die Anzahl der DBR-Paare sehr klein ist, können die einzelnen Sektionen ihre eigenen Vorder- oder Rückseitenreflektivitäten nicht differenzieren, und dies kann zu unvorhersehbaren Lasermoden in den Vorder- und Rücksektionen (S₁ und S₂) führen. Für die Mittelsektion (M-Sektion) führen weniger DBR-Paare zu einer inferioren Resonanzbedingung und niedriger Kavitätenfeinheit, was dazu führt, dass überhaupt kein Lasern stattfindet. Umgekehrt, wenn die Anzahl der DBR-Paare zu groß ist, kann die Zentralsektion in mehreren Moden lasern. Ein solches Lasern verursacht sehr wenig, manchmal null, RF-Ausgang.

Funktion der Mittelsektion

Aufgrund des begrenzten FWM-Bereichs in unseren Zweisektionen-Bauelementen war der RF-Peak-Abstimmbereich manchmal zwischen 20 und 30 GHz gebunden. Der stark gekoppelte Zweisektionen-Laser kann auch viele komplexe nichtlineare Betriebsmodi wie Periode 1 und Chaos erzeugen, wie zuvor demonstriert [20]. Als die dritte Sektion in den Laserchip eingefügt wurde, wurde der Abstimmbereich durch den zusätzlichen thermischen Abstimmeffekt der Bauelemente verbessert. Wie in Abb. 6 gezeigt, wenn die Ströme der S₁- und S₂-Sektionen fixiert sind, kann der linear variierende Strom der M-Sektion eine zusätzliche Erhöhung der RF-Abstimmung von 1,68 GHz liefern. Der erhaltene Peak der M-Sektion verursacht keine starke optische Mischung, und somit sind alle Haupt-RF-Wechselwirkungen zwischen den Photonen der S₁- und S₂-Sektionen. Eine leichte Erhöhung der Peak-Trennung kann auch in den Spuren mit hohen Eingangsströmen der M-Sektion beobachtet werden. In anderen Bauelementen wurde eine Erhöhung des RF von bis zu 3,82 GHz aufgezeichnet. Diese zusätzliche Änderung der synthetisierten RF-Frequenz aufgrund des zusätzlichen M-Sektionsstroms kann die kontinuierliche Abstimmung im Dreisektionen-Laser machbarer machen. Ein Vergleich zwischen I_M-Werten von 0 und 65 mA in einem spezifischen Bauelement liefert 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 kann ein Abstimmbereich von mehreren GHz hinzugefügt werden, wenn die M-Sektion elektrisch aktiviert wird, und die Änderung der Stromkombinationen kann sich addieren und den gesamten Abstimmbereich erheblich erhöhen. Dieses Phänomen kann auf ungleiche thermische-Wellenlängen-Abhängigkeit in den einzelnen Bauelementen zurückgeführt werden. Die Ungleichheit ist auf Faktoren wie lokale Dotierungsvariation, ein ungeschnittenes FIB-Gebiet (Verursachung von Leckage) und die nichtlineare Stromabhängigkeit der Emissionswellenlänge zurückzuführen. In den meisten Fällen neigt die RF-Peak-Frequenz dazu, zu steigen, wenn die dritte Sektion aktiviert wird.

Einzel- oder Dual-Modus-Betrieb

Die Analyse des Dreisektionen-Laser-Betriebs erscheint auf den ersten Blick kompliziert. In diesem Absatz bringen wir Perspektive zu einer fundamentalen Sorge, ob das Bauelement im Einzel- oder Dual-Modus arbeiten wird. Abb. 7 zeigt die zwei häufigsten Betriebsmodi unseres Dreisektionen-Lasers. Die gegenseitigen Positionen im optischen Bereich offenbarten, dass zwei Fälle betrachtet wurden: Im ersten Fall war der dritte Peak weit von den verbleibenden beiden Peaks entfernt. Im zweiten Fall war der dritte Peak aktiv nah an den Peaks in den S₁- und S₂-Sektionen. Im ersten Fall, der in Abb. 7a gezeigt wird, haben die Photonen, die weit weg sind (Peak der M-Sektion), sehr wenige Wechselwirkungen mit den anderen beiden Peaks (Peaks der S₁- und S₂-Sektionen). Nur die Peaks der S₁- und S₂-Sektionen sind ausreichend nah, um den FWM-Effekt zu zeigen. In diesem Zustand verhält sich der Dreisektionen-Laser wie der zuvor demonstrierte Zweisektionen-Laser, und ein einzelner RF-Peak wird durch Mischen der Peaks der S₁- und S₂-Sektionen generiert. Die Funktion des Peaks der M-Sektion besteht darin, eine Erweiterung oder Reduktion des RF-Peaks basierend auf den thermischen-Wellenlängen-Koeffizienten der DFB-Sektionen bereitzustellen. Im zweiten Fall, der in Abb. 7b gezeigt wird, sind die drei Peaks nahe beieinander. Dieser Fall ist komplizierter. Die Nähe der Photonenwellenlängen regt die Generierung des FWM-Effekts an, und mehr als eine differentielle Frequenz kann aufgrund dieses Phänomens generiert werden. Daher liefern die oberen zwei Kombinationen unter den S₁-, S₂- und M-Sektionen die Bestandteile im RF-Spektrum, und der Laser kann im Dual-RF-Modus arbeiten. Sobald jedoch einer der FWM durch die Trennung der Peaks aufgrund der Stromeinbringung geschwächt wird, kehrt das Bauelement in den Einzelmodus zurück.

Schlussfolgerungen

Ein dreisektionaler Laser wurde zum Zweck der RF-Generierung gefertigt. In diesem Laser wurden 2,5 InP/Luft-Paare von DBRs zwischen den Sektionen platziert. Dieser Mehrsektionen-Laser liefert ein Einzelmodus-RF-Signal mit hoher Abstimmbarkeit von 2 bis 45 GHz. Die zusätzliche dritte Sektion ermöglicht thermisches Abstimmen für diesen Einzelmodusbetrieb und ist auch essenziell für den Dual-RF-Modus-Betrieb. Ein starker FWM-Phänomen wurde aus den optischen Spektren beobachtet und durch Durchführung von RF-Peak-Messung bestätigt. Das stromabhängige Wellenlängen-Verschiebungsmodell kann zur Verifizierung der RFs angewendet werden. Der vorgeschlagene dreisektionale Laser bietet eine 21,3 %ige Verbesserung des RF-Abstimmbereichs im Vergleich zum Bereich des Zweisektionen-Lasers. Zusätzlich zum Einzelmodusbetrieb wurde auch ein Dual-Modus-RF-Signal demonstriert, wenn die Wellenlängen der drei Laser nahe beieinander liegen. Die RF-Frequenzen im Dual-Modus-Betrieb können durch direkte Stromeinbringung in jede der Sektionen modifiziert werden. Wir glauben, dass der vorgeschlagene Laser nützlich sein wird, um die Leistung zukünftiger mikrowellenphotonischer Bauelemente zu verbessern und ein hoch effizientes mikrowellenphotonisches Netzwerk zu erhalten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten und Materialien im Manuskript sind verfügbar.

Abkürzungen

DBRs:

Distributed Bragg reflectors

RF:

Radiofrequency

AWG:

Arrayed waveguide grating

BWO:

Backward oscillators

DFB:

Distributed feedback

FIB:

Focused ion beam

PD:

Photodetector

OSA:

Optical spectrum analyzer

FWM:

Four-wave mixing