단일/이중 RF 생성이 가능한 모놀리식 3구간 DFB 레이저

초록

2.5쌍의 InP/공기 분산 브래그 반사기(DBR)를 가진 3구간 분산 피드백 레이저를 제조하고 마이크로파 생성 능력 측면에서 분석했습니다. 광학 헤테로다인을 사용해 널리 튜닝 가능한 단일 무선 주파수(RF) 신호를 검출할 수 있으며, 튜닝 범위는 2-45 GHz입니다. 제3 구간의 도입은 파장 영역에서 세 방출 피크가 서로 가까울 때 이중 RF 동작을 구현할 기회를 제공합니다. 제안된 설계는 2구간 레이저의 범위(35.29 GHz 대 42.81 GHz)에 비해 RF 튜닝 범위에서 21.3% 향상을 제공합니다. 제안된 소자의 소형화는 미래 무선 광섬유 응용에 유용할 수 있습니다.

서론

미래 신규 무선 기술의 도래로 셀룰러 네트워크 설치가 새로운 시대로 진화했습니다: 수많은 마이크로 또는 나노 크기 기지국이 필요하며, 전력 효율적인 마이크로파 전송이 기대됩니다[1, 2]. 이 무선 인프라를 구축하려면 좋은 마이크로파 소스가 필요합니다. 과거에는 마이크로파 생성을 위해 여러 방법이 제안되고 시연되었습니다(예: X/Ka 대역). 전자빔과 후진파 발진기(BWO)를 사용하면 높은 강도의 마이크로파(보통 수백 메가와트에서 기가와트 범위)를 제공할 수 있으며, 레이더, 원격 감지, 통신, 플라즈마 과학 분야에 널리 적용됩니다[3-5]. 그러나 이 기술은 고정된 파도 안내 구조에 의해 방출 주파수가 미리 결정되어 주파수 튜닝이 어렵고, 이 구조의 크기는 보통 밀리미터 또는 센티미터 단위입니다. 또 다른 방법은 건 다이오드에서 전자 전이 효과를 적용하는 것입니다[6-9]. 건 다이오드의 반도체 특성은 크기가 수십 미크론에서 서브 미크론까지 범위를 가질 수 있어 매우 매력적입니다. 전달 전력 출력도 인상적입니다: 수 밀리와트에서 수십 밀리와트. 하지만 이 소자는 보통 좋은 신호를 제공하기 위해 다른 회로가 필요하고, 소자 길이를 가로지르는 고유 캐리어 전송 시간에 의해 제한된 주파수 튜닝 가능성을 가집니다[10].

이러한 전통적인 방법 외에도 미래 무선 기지국은 높은 효율뿐만 아니라 작은 풋프린트와 대규모 배치를 요구합니다. 작은 기지국 아키텍처와 대규모 다중 입출력 시스템의 구현은 마이크로파 포토닉스의 필요성을 보여줍니다[11]. 포토닉 소자와 인프라는 네트워크 복잡성을 줄이고 전송 거리를 늘리며 전송 보안을 강화할 수 있습니다. 피코셀(작은 셀)과 광섬유 네트워크의 결합은 대량의 데이터를 장거리로 효율적으로 전송할 수 있습니다[12]. 따라서 이러한 구상을 실현하기 위해서는 특히 높은 튜닝 가능성을 가진 강한 RF 신호를 생성하고 멀티태스킹을 가능하게 하는 다른 유형의 포토닉 소자가 필요합니다. 주입 잠금 레이저 시스템이 좁은 선폭 RF 생성을 위해 제안되었습니다[13]. 광학 위상 고정 루프를 가진 여러 레이저의 헤테로다인이 고품질 단일 또는 이중 채널 RF 신호 생성에 사용되었으며, 이러한 구상에서 데이터 전송도 시연되었습니다[14-16]. 마이크로파 생성을 위한 다중 레이저 통합은 어레이 도파로 격자(AWG) 통합[17]과 직렬 캐스케이드 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러[18]로 실현될 수 있습니다. 이러한 모든 연구는 충분한 광자가 상호작용하도록 정밀하게 정렬된 광학과 다중 레이저 소스에 의존해 왔습니다.

시스템의 풋프린트를 추가로 줄이기 위해 통합 설계가 필요합니다. 이전에 발표된 모든 방법을 고려할 때, 우리는 통합 마이크로파 포토닉 생성이 좋은 후보가 될 수 있다고 믿습니다[18] 왜냐하면 (a) 칩 크기를 Si 웨이퍼와 유사하게 축소할 수 있습니다. 현재 우리 포토닉 칩 크기는 수십에서 수백 미크론 범위지만 풋프린트 추가 축소가 가능합니다. (b) 포토닉 혼합은 과거 문헌에서 최고의 RF 신호 중 일부를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 주입 잠금 방식을 사용하면 위상 잡음을 크게 줄일 수 있는데, 이는 RF 신호에 매우 중요합니다[19]. (c) 외부 전기 전류로 널리 튜닝 가능한 RF 신호. 주입 전류를 조절함으로써 마이크로파 포토닉 칩은 굴절률 변화나 광학 헤테로다인 등 광자의 다양한 상호작용을 통해 넓은 주파수 생성 범위를 쉽게 실현할 수 있습니다[20, 21]. 광자의 다양한 물리적 특성은 포토닉 칩을 주파수 튜닝 측면에서 매우 다재다능하게 만듭니다. 앞서 언급한 포토닉 이점을 온전히 활용하기 위해 서로 다른 색상의 코히어런트 광자를 이 칩 설계에 통합할 수 있어야 합니다. 본 연구에서는 최초로 DBR 광학 분리를 가진 3구간 분산 피드백(DFB) 레이저를 개발했습니다. 제안된 레이저는 단순 튜닝 가능한 RF 캐리어 또는 두 개의 RF 톤을 가진 캐리어 및 데이터 소스로 동작할 수 있습니다. 이 통합 소자의 특성을 완전히 조사하고 분석할 수 있으며, 이 소자가 미래 마이크로파 포토닉 통합에 유익할 수 있다고 봅니다.

방법

소자 제조

본 연구에서 웨이퍼는 금속유기 화학 기상 증착 시스템으로 먼저 성장시켰습니다. InGaAsP 양자 우물을 활성 영역으로 사용했고, 목표 발진 파장은 약 1550 nm였습니다. DFB 레이저의 격자는 전자빔 리소그래피로 제조했습니다. 에피택셜 공정 완료 후 웨이퍼는 [21]에 설명된 박막 증착, 건식/습식 식각, 금속화 등 표준 반도체 공정으로 처리되었습니다. 웨이퍼를 100 μm까지 얇게 하고 후면 금속 접점 증착(AuGe/Ni/Au)을 위해 연마해 모든 공정 단계를 마쳤습니다. 다음 단계는 웨이퍼를 바로 자르고 바를 칩으로 다이스해 패키징하는 것이며, 칩 크기는 250×900 μm²입니다. 통합 레이저 칩을 세라믹 서브마운트에 부착하고 와이어 본딩해 프로빙 및 테스트했습니다. 공기/반도체 분산 브래그 반사체는 나노스케일 집속 이온빔(FIB) 시스템(Tescan 모델 no. GAIA3)을 사용해 식각했습니다. FIB 기술은 30 keV 에너지와 0.4 nA 빔 전류로 가속된 Ga 이온을 사용해 타겟 반도체(InP 또는 Si 등)를 제거합니다. 나노미터 스케일 정확도로 FIB 시스템은 3구간 레이저의 구간 간 DBR을 실현할 수 있습니다. DBR은 공기 구간 폭 1162 nm, InP 구간 폭 584 nm의 공기와 InP 구간으로 구성됩니다. 최대 식각 깊이는 웨이퍼 내 7 μm입니다. 공기/반도체 계면 거칠기를 제어하기 위해 FIB 식각 속도를 33 nm/s로 최적화했습니다. 그림 1은 완성된 소자의 개략도와 SEM 이미지를 보여줍니다. 구간 사이의 2.5쌍 공기/InP DBR은 높은 광학 반사율과 전기적 분리를 모두 제공하며, 통합 칩을 S₁, M, S₂ 세 구간으로 나눕니다(그림 1 참조). 주입 잠금 레이저에서 일반적으로 펌핑 및 펌핑된 소자로 사용되는 마스터와 슬레이브 레이저 표기법을 채택했습니다.

광학 헤테로다인

광학 헤테로다인은 많은 마이크로파 포토닉 구조에서 RF 신호를 생성하는 방법입니다[22, 23]. 이 기술은 서로 다른 파장의 광자를 혼합해 튜닝 가능한 RF 신호를 생성합니다[24, 25]. 먼저 두 개의 서로 다른 신호 E₁과 E₂를 다음과 같이 정의합니다:

E₁ = E₀₁(ω₁t + φ₁)

E₂ = E₀₂(ω₂t + φ₂)

여기서 E₀₁과 E₀₂는 진폭, ω₁과 ω₂는 주파수, φ₁과 φ₂는 각각 E₁과 E₂에 해당하는 위상입니다. 그러면 전체 혼합 신호의 강도 I_t는 다음과 같이 설명할 수 있습니다[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)]}

전체 신호를 측정할 때 고주파 항(ω₁, ω₂, ω₁+ω₂ 등)이 포토디텍터의 검출 한계 이상이므로 E₀₁E₀₂ × cos[(ω₁-ω₂)t + (φ₁-φ₂)] 항만 관찰할 수 있습니다. 최종 검출된 RF 신호는 다음 주파수에서 얻습니다:

Δf = c(1/λ₁ - 1/λ₂)

현재 소자에서 여러 파장의 광자를 동시에 생성할 수 있어 헤테로다인이 서로 다른 주파수에서 동시에 발생할 수 있습니다. 각 레이저의 방출 파장은 주입 전류로 제어할 수 있으므로 다양한 전류 조합이 동일한 소자에서 단일 및 이중 RF 출력 신호를 제공할 수 있습니다. 이러한 조건은 논문 뒷부분에서 논의합니다.

측정 시스템

레이저 소자를 적절히 평가하기 위해 출력 전력을 신중하게 광섬유로 캘리브레이션된 포토디텍터(PD)에 결합했습니다. 광섬유 끝단은 8° 기울기로 클리빙해 면 반사를 줄였습니다. 편광 제어기와 적절한 아이솔레이터를 설치해 레이저로의 최소 피드백과 헤테로다인 후 최대 출력 전력을 보장했습니다. 어븀 도핑 광섬유 증폭기는 신호가 충분히 강하면 생략할 수 있는 선택적 장비입니다. 고속 포토디텍터(50-GHz PD, u2tPhotonics®, AG) 또는 다른 PD(1414, New Focus®)를 사용해 혼합 포토닉 신호를 검출했습니다. 헤테로다인 후 얻은 전기 신호를 신호 분석기(N9030PXA, Keysight®)에 입력하고 신호의 차동 주파수 스펙트럼을 제시했습니다. 반면 결합된 광학 스펙트럼은 광학 스펙트럼 분석기(OSA; AQ6317B, Ando®)로 읽었습니다.

결과

DC 소자 특성

소자 제조가 완료되면 DC 특성을 테스트할 수 있습니다. 그림 2a는 이 웨이퍼로 제조된 일반적인 DFB 레이저의 일반적인 전력-전류-전압(L-I-V) 곡선을 보여줍니다. 임계 전류는 10 mA보다 작을 수 있습니다. 개별 소자는 300 μm 길이의 공진기를 가지며 밀리와트 단위의 출력 전력을 가집니다. 구조의 격자는 레이저가 단일 모드로 동작하도록 필요한 피드백과 모드 선택을 제공합니다. 세 레이저가 켜졌을 때 관찰된 전력 스펙트럼은 그림 2b에 제시되어 있습니다. 단일 DFB 경우 50 dB 이상의 높은 사이드 모드 억제비가 측정되었습니다. 유리한 단일 모드 동작은 광학 헤테로다인의 성공에 필수적입니다. 광학 신호를 양쪽에서 취하면 S₁과 S₂ 구간이 중앙 DBR 구간의 높은 반사로 인해 M 구간의 출력 전력이 차단되어 M 구간에 비해 더 강한 응답을 보입니다(그림 2b 참조). 광학 모드 간격은 전기 주입 전류로 변경할 수 있습니다. 이 유연성은 이 세 레이저의 세 모드에 대한 다양한 조합을 제공합니다. 그림 3은 전류 의존적 광학 스펙트럼을 보여줍니다. 세 피크 모두 조정 가능하며 두 피크 간 간격은 RF 신호 생성에 중요할 수 있습니다. 두 피크가 충분히 가까우면 이 두 파장의 광자 사이에 4파 혼합(FWM)이 발생합니다[27]. 두 피크가 멀리 떨어져 있으면 FWM 효과가 없습니다. FWM은 레이저 이득 매질의 캐리어 농도 비선형 변조로 강화됩니다[27]. 이 변조는 서로 다른 색상 광자 간의 더 강한 헤테로다인 효과를 유도하고 더 강한 RF 출력 신호를 생성할 수 있습니다. 그림 3의 최상위 곡선에서 이 강한 FWM 상호작용으로 인해 광학 스펙트럼에 여러 피크가 생성됩니다. 피크 간 간격은 여전히 두 원래 혼합 주파수의 차이와 같습니다.

널리 튜닝 가능한 단일 모드 RF 생성

앞서 언급했듯 주입 전류가 변하면 DFB 레이저의 방출 파장이 변하므로 이 소자에서 광학 헤테로다인의 결과도 그에 따라 변합니다. 헤테로다인된 RF 신호는 고속 포토디텍터로 측정할 수 있습니다[20]. 신호 품질은 PXA 설정으로 식별할 수 있습니다. 그림 4a는 합성된 RF 신호의 상세 전기 스펙트럼을 보여줍니다. 단일 모드 신호가 노이즈 플로어보다 40.4 dB 상승하며, 피크 강도는 -20 dB까지 높을 수 있습니다. RF 스펙트럼의 더 세밀한 해상도는 신호 세부 사항을 드러내며, 로렌츠 함수로 스펙트럼을 피팅해 선폭을 결정할 수 있습니다. 일반적인 선폭은 약 12-16 MHz입니다(그림 4b 참조). RF 피크의 개별 선폭은 DFB 레이저 피크들의 선폭 합으로 정의되며, 이 웨이퍼에서는 5-7 MHz 범위입니다. 이 설계의 중요한 특징 중 하나는 널리 튜닝 가능한 단일 모드 RF 생성입니다. 세 레이저 톤의 결합은 더 넓은 RF 분포 범위를 제공합니다. 단일 모드 RF 신호는 2-45 GHz에서 연속적으로 튜닝 가능합니다.

이중 RF 모드 동작

레이저에 추가 제3 구간이 있어 통합 소자는 2구간 레이저보다 더 복잡한 RF 신호 패턴을 제공할 수 있습니다. 제어 가능한 방식의 이중 모드는 다양한 목적에 유리한 특징이 될 수 있습니다. 이 소자에서 이중 모드는 세 레이저의 파장이 서로 가까울 때만 발생합니다. 세 레이저 모두에 의해 FWM 효과가 개시될 때 서로 다른 주파수의 두 RF 신호가 관찰됩니다. 그림 5에는 이 시나리오를 설명하기 위해 광학 및 전기 스펙트럼이 나란히 표시되어 있습니다. 이 그림에서 S₁과 M 구간의 피크가 낮은 전류 레벨에서 가깝습니다. 따라서 S₁과 M 구간 사이에 강한 FWM이 발생해 약 7.86 GHz에서 강한 RF 피크가 생성됩니다(트레이스 A). S₁ 구간 전류를 증가시켜 그 피크를 S₂ 구간에 적색 이동시켰습니다. S₁과 M 구간 간 분리가 커지면 주요 RF 피크 주파수가 증가합니다(트레이스 B). 그러나 S₁과 S₂ 구간의 피크가 가까워지면 이 두 광자 그룹 간의 헤테로다인 효과가 강해집니다. 따라서 트레이스 C에서 주요 RF 신호는 S₁과 S₂의 차동 주파수가 됩니다. 게다가 S₁과 M 간의 상호작용은 유지되며, 이 상호작용에 해당하는 더 약한 RF 신호가 21.6 GHz에서 관찰됩니다. S₁에 전류를 추가로 증가시키면 S₁ 구간 피크가 S₂ 구간 피크를 향해 적색 이동하므로 주요 피크 주파수가 감소합니다. 한편 S₁ 구간 피크가 M 구간 피크에서 멀어지므로 부 피크는 더 높은 주파수로 청색 이동합니다(트레이스 C에서 E로).

트레이스 F, G, H에서 S₁ 구간 방출 피크와 M 구간 간 거리가 매우 큽니다. 따라서 이 두 구간 간 혼합이 발생하지 않으며, S₁ 전류가 증가함에 따라 S₁이 점차 S₂를 추월합니다. 결과적으로 RF 피크는 주파수 측면에서 먼저 감소했다가 다시 증가합니다. 이 동작은 이전에 시연된 2구간 레이저와 유사합니다.

논의

쌍 수의 효과

DBR은 레이저 사이에 삽입돼 공진기 간 광학 분리를 제공하고, DFB 레이저 각 구간의 두 면 간 충분한 반사율을 제공해 단일 모드 방출 가능성을 높이며, 마지막으로 구간 간 충분한 전기적 분리를 제공합니다. 쌍 수가 매우 작으면 전기적 분리가 구간 간 독립적 펌핑을 유지하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 개별 레이저 다이오드 저항이 약 10 Ω 이하이므로 10³ Ω 이상의 전기적 분리가 선호됩니다. 또한 DBR 쌍 수가 매우 작으면 개별 구간이 자체 전면 또는 후면 반사율을 구별할 수 없어 전면 및 후면 구간(S₁, S₂)에서 예측 불가능한 레이징 모드로 이어질 수 있습니다. 중간 구간(M 구간)의 경우 더 적은 DBR 쌍은 열등한 공진 조건과 낮은 공진기 파인스를 초래해 전혀 레이징하지 않을 수 있습니다. 반대로 DBR 쌍 수가 너무 많으면 중앙 구간이 다중 모드로 레이징할 수 있습니다. 이러한 레이징은 매우 적거나 때로는 제로 RF 출력을 유발합니다.

중간 구간의 기능

2구간 소자에서 제한된 FWM 범위로 인해 RF 피크 튜닝이 때때로 20-30 GHz 사이에 한정되었습니다. 강하게 결합된 2구간 레이저는 주기 1과 카오스 등 복잡한 비선형 동작 모드를 생성할 수도 있습니다[20]. 제3 구간을 레이저 칩에 삽입했을 때 소자의 추가 열 튜닝 효과로 튜닝 범위가 개선되었습니다. 그림 6에 보인 바와 같이 S₁과 S₂ 구간 전류를 고정하고 M 구간의 선형적으로 변하는 전류는 RF 튜닝에 1.68 GHz 추가 증가를 제공할 수 있습니다. 얻어진 M 구간 피크는 강한 광학 혼합을 일으키지 않으므로 모든 주요 RF 상호작용은 S₁과 S₂ 구간의 광자 사이에 있습니다. 높은 M 구간 입력 전류를 가진 트레이스에서도 피크 분리의 약간의 증가를 관찰할 수 있습니다. 다른 소자에서는 최대 3.82 GHz의 RF 증가가 기록되었습니다. 이 M 구간 전류로 인한 합성 RF 주파수의 추가 변화는 3구간 레이저에서 연속 튜닝을 더 가능하게 만듭니다. 특정 소자에서 I_M 값 0과 65 mA 비교는 튜닝 범위에서 7.52 GHz 차이(Δf = 42.81 GHz for I_M = 65 mA, Δf = 35.29 GHz for I_M = 0)를 제공합니다. 일반적으로 M 구간이 전기적으로 활성화되면 수 GHz 튜닝 범위가 추가되고 전류 조합 변경이 누적돼 전체 튜닝 범위를 현저히 증가시킬 수 있습니다. 이 현상은 개별 소자의 불균등한 열-파장 의존성에 기인할 수 있습니다. 불균등성은 지역 도핑 변이, 미절단 FIB 영역(누설 유발), 방출 파장의 비선형 전류 의존성 같은 요인 때문입니다. 대부분의 경우 제3 구간 활성화 시 RF 피크 주파수가 증가하는 경향이 있습니다.

단일 또는 이중 모드 동작

3구간 레이저 동작 분석은 처음에는 복잡해 보입니다. 이 단락에서는 소자가 단일 또는 이중 모드로 동작할 것인지라는 근본적 우려에 관점을 제시합니다. 그림 7은 우리 3구간 레이저의 두 가지 가장 일반적인 동작 모드를 보여줍니다. 광학 영역에서 상호 위치는 두 가지 경우를 고려했습니다: 첫 번째 경우, 제3 피크가 나머지 두 피크에서 멀리 떨어져 있습니다. 두 번째 경우, 제3 피크가 S₁과 S₂ 구간의 피크에 적극적으로 가깝습니다. 그림 7a에 나타난 첫 번째 경우에서 멀리 떨어진 광자(M 구간 피크)는 다른 두 피크(S₁, S₂ 구간 피크)와 거의 상호작용하지 않습니다. 오직 S₁과 S₂ 구간 피크만 충분히 가까워 FWM 효과를 보입니다. 이 조건에서 3구간 레이저는 이전에 시연된 2구간 레이저처럼 동작하며 S₁과 S₂ 구간 피크를 혼합해 단일 RF 피크를 생성합니다. M 구간 피크의 기능은 DFB 구간의 열-파장 계수에 기반해 RF 피크의 확장 또는 감소를 제공하는 것입니다. 그림 7b에 나타난 두 번째 경우에서 세 피크가 서로 가깝습니다. 이 경우는 더 복잡합니다. 광자 파장의 근접성은 FWM 효과 생성을 촉진하며, 이 현상으로 인해 하나 이상의 차동 주파수가 생성될 수 있습니다. 따라서 S₁, S₂, M 구간 중 상위 두 조합이 RF 스펙트럼의 구성 요소를 제공하며 레이저는 이중 RF 모드로 동작할 수 있습니다. 그러나 전류 주입으로 인한 피크 분리로 FWM 중 하나가 약해지면 소자는 단일 모드로 돌아갑니다.

결론

RF 생성을 위해 3구간 레이저를 제조했습니다. 이 레이저에서 2.5쌍 InP/공기 DBR을 구간 사이에 배치했습니다. 이 다구간 레이저는 2-45 GHz에서 높은 튜닝 가능성을 가진 단일 모드 RF 신호를 제공합니다. 추가 제3 구간은 이 단일 모드 동작에 열 튜닝을 가능하게 하며 이중 RF 모드 동작에도 필수적입니다. 광학 스펙트럼에서 강한 FWM 현상이 관찰되었고 RF 피크 측정으로 확인되었습니다. 전류 의존적 파장 이동 모델은 RF 검증에 적용될 수 있습니다. 제안된 3구간 레이저는 2구간 레이저 범위에 비해 RF 튜닝 범위에서 21.3% 향상을 제공합니다. 단일 모드 동작 외에도 세 레이저 파장이 서로 가까울 때 이중 모드 RF 신호도 시연되었습니다. 이중 모드 동작의 RF 주파수는 어느 구간에든 직접 전류 주입으로 수정할 수 있습니다. 우리는 제안된 레이저가 미래 마이크로파 포토닉 소자 성능 향상과 고효율 마이크로파 포토닉 네트워크 획득에 유용할 것이라고 믿습니다.