2.5 InP/air 쌍의 분산 브래그 반사기(DBR)가 있는 3개 섹션 분산 피드백 레이저를 제작하고 마이크로파 생성 능력 측면에서 분석했습니다. 광범위하게 조정 가능한 단일 RF(무선 주파수) 신호는 광학 헤테로다인을 사용하여 감지할 수 있으며 조정 범위는 2~45 GHz입니다. 세 번째 섹션의 통합은 파장 영역에서 3개의 방출 피크가 서로 가까울 때 이중 RF 작동을 제시할 수 있는 기회를 제공합니다. 제안된 설계는 2섹션 레이저 범위(35.29 GHz 대 42.81 GHz)에 비해 RF 튜닝 범위가 21.3% 향상되었습니다. 제안된 장치의 소형화는 미래의 radio-over-fiber 애플리케이션에 유용할 수 있습니다.
소개
미래의 새로운 무선 기술의 도래와 함께 셀룰러 네트워크의 설치는 새로운 시대로 진화했습니다. 많은 수의 마이크로 또는 나노 크기의 기지국이 필요하고 전력 효율적인 마이크로파 전송이 예상될 수 있습니다[1, 2 ]. 이 무선 인프라를 구축하려면 좋은 마이크로파 소스가 필요합니다. 과거에 마이크로파(X/Ka-대역과 같은)를 생성하기 위해 여러 가지 방법이 제안되고 시연되었습니다. 전자빔과 BWO(Backward Oscillator)를 사용하면 높은 강도의 마이크로웨이브(보통 수백 메가와트에서 기가와트 범위)를 제공할 수 있으며 레이더, 원격 감지, 통신 및 플라즈마 분야에 널리 적용됩니다. 과학 [3,4,5]. 그러나 이 기술은 고정 도파 구조에 의해 미리 정해져 있기 때문에 방출 주파수를 조정하기 어렵고 이 구조의 크기는 일반적으로 밀리미터 또는 센티미터입니다. 또 다른 방법은 Gunn 다이오드에 전달된 전자 효과를 적용하는 것입니다[6,7,8,9]. Gunn 다이오드의 반도체 기능은 크기가 수십 미크론에서 심지어 서브 미크론까지 다양하기 때문에 매우 매력적입니다. 전달되는 전력 출력도 인상적입니다. 몇 밀리와트에서 수십 밀리와트입니다. 그러나 이 장치는 일반적으로 양호한 신호를 제공하기 위해 다른 회로를 필요로 하며 장치의 길이에 걸쳐 고유한 반송파 전송 시간에 의해 제한되는 제한된 주파수 조정 기능도 가지고 있습니다[10].
이러한 전통적인 방법 외에도 미래의 무선 기지국은 고효율뿐만 아니라 작은 설치 공간과 대규모 배포가 필요합니다. 소규모 스테이션 아키텍처와 대규모 다중 입력 및 다중 출력 시스템의 구현은 마이크로파 포토닉스의 필요성을 보여줍니다[11]. 광자 장치 및 인프라는 네트워크의 복잡성을 줄이고 전송 거리를 늘리며 전송 보안을 강화할 수 있습니다. 피코셀(스몰 셀)과 광섬유 네트워크의 조합은 많은 양의 데이터를 장거리로 효율적으로 전송할 수 있다[12]. 따라서 이러한 방식을 구현하기 위해서는, 특히 높은 튜너빌리티(tunability)를 갖는 강한 RF 신호를 생성하고 멀티태스킹을 가능하게 하기 위해서는 다른 유형의 광소자가 필요하다. 좁은 선폭 RF 생성을 위해 주입 고정 레이저 시스템이 제안되었습니다[13]. 광학 위상 고정 루프로 다중 레이저를 이질화하여 RF 신호 및 기타 회로의 고품질 단일 또는 이중 채널을 생성하여 우수한 신호를 제공했으며 데이터 전송은 이전에 이러한 방식으로 표시될 수 있습니다[14,15, 16]. 마이크로파 생성을 위한 다중 레이저 통합은 AWG(Arrayed Waveguide Grating) 통합[17]과 직렬 캐스케이드 프로그래밍 가능 인터럽트 컨트롤러[18]를 사용하여 실현할 수 있습니다. 이러한 모든 연구는 상호 작용하기에 충분한 광자를 제공하기 위해 정밀하게 정렬된 광학 장치와 다중 레이저 소스에 의존했습니다.
시스템에 필요한 공간을 더욱 줄이려면 통합 설계가 필요합니다. 이전에 발표된 모든 방법을 고려할 때 (a) 칩의 크기가 Si 웨이퍼와 유사하게 축소될 수 있기 때문에 통합 마이크로파 광자 생성이 좋은 후보가 될 수 있다고 믿습니다. 우리의 포토닉 칩의 현재 크기는 수십에서 수백 미크론 범위일 수 있지만 풋프린트를 더 줄일 수 있습니다. (b) 광자 혼합은 과거 문헌에서 최고의 RF 신호 중 일부를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 주입 잠금 방식을 사용하면 위상 잡음을 크게 줄일 수 있으며 이는 RF 신호에 매우 중요합니다[19]. (c) 광범위하게 조정 가능한 RF 신호에 대한 외부 전류. 주입 전류를 조절함으로써 마이크로파 광자 칩은 굴절률 변화 또는 광학 헤테로다인 등과 같은 광자의 다양한 상호 작용을 통해 광범위한 주파수 생성을 쉽게 실현할 수 있다[20, 21]. 광자의 다양한 물리적 특성으로 인해 광자 칩은 주파수 조정 측면에서 매우 다양합니다. 앞서 언급한 광자의 장점을 최대한 활용하려면 서로 다른 색상의 간섭성 광자를 이 칩 설계에 통합할 수 있어야 합니다. 이 연구에서는 DBR 광학 분리 기능이 있는 3-섹션 분산 피드백(DFB) 레이저가 처음으로 개발되었습니다. 제안된 레이저는 간단한 조정 가능한 RF 캐리어 또는 두 개의 RF 톤이 있는 캐리어 및 데이터 소스로 작동할 수 있습니다. 이 집적 소자의 특성을 충분히 조사하고 분석할 수 있으며, 우리는 이 소자가 미래의 마이크로파 광자 통합에 도움이 될 수 있다고 가정합니다.
방법
기기 제작
이 연구에서 웨이퍼는 먼저 금속 유기 화학 기상 증착 시스템을 사용하여 성장되었습니다. InGaAsP 양자 우물을 활성 영역으로 사용했으며 목표 레이저 파장은 약 1550 nm였습니다. DFB 레이저의 격자는 전자빔 리소그래피를 사용하여 제조되었습니다. 에피택시 공정이 완료된 후 웨이퍼는 [21]에 설명된 필름 증착, 건식/습식 에칭 및 금속화의 표준 반도체 공정으로 처리되었습니다. 웨이퍼를 100 μm까지 얇게 만들고 후면 금속 접촉 증착(AuGe/Ni/Au)을 위해 연마하여 모든 처리 단계를 마무리했습니다. 다음 단계는 웨이퍼를 막대로 절단하고 막대를 칩으로 다이싱하여 패키징하는 것이며 칩 크기는 250 × 900μm
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입니다. . 통합 레이저 칩은 프로빙 및 테스트를 위해 세라믹 서브마운트와 와이어 본딩에 부착되었습니다. 공기/반도체 분산 브래그 반사기는 나노스케일 집속 이온빔(FIB) 시스템(Tescan 모델 번호 GAIA3)을 사용하여 에칭되었습니다. FIB 기술은 30 keV 에너지와 0.4 nA 빔 전류를 가진 가속된 Ga 이온을 사용하여 대상 반도체(예:InP 또는 Si)를 공격합니다. 나노미터 규모의 정확도로 FIB 시스템은 3단면 레이저에 대한 단면 DBR을 실현할 수 있습니다. DBR은 공기 섹션의 경우 1162 nm 너비, InP 섹션의 경우 584 nm 너비의 공기 및 InP 섹션으로 구성됩니다. 가장 깊은 에칭은 웨이퍼에 7 μm입니다. 공기/반도체의 계면 거칠기를 제어하기 위해 FIB 에칭 속도를 33 nm/s로 최적화했습니다. 그림 1은 완성된 장치의 개략도 및 SEM 이미지를 표시합니다. 섹션 사이의 2.5쌍의 공기/InP DBR은 높은 광학 반사율과 전기적 절연을 모두 제공할 수 있으며 통합 칩을 S1의 세 섹션으로 나눕니다. , M 및 S2 , 그림 1과 같이 펌핑 및 펌핑 장치에 마스터 및 슬레이브 레이저가 일반적으로 사용되는 사출 잠금 레이저의 표기법을 적용합니다.