基于DFB激光器的光学微波信号的产生

基于DFB激光器的光学微波信号的产生 第 57 卷 第 7 期 2008 年 7 月 Vol . 57 ,No . 7 ,J uly ,2008 物理学报 () 100023290Π2008Π57 07Π4558206 ACTA PHYSICA SINICA ν 2008 Chin. Phys. Soc . 3 基于 D FB 激光器的光学微波信号的产生 )))) )))1221† 111谢红云金冬月 何莉剑 张万荣 张蔚 王路 王圩 ) ( )1北京工业大学电子信息与控制学院 ,北京 100022 ) ( ) 2中国科学院半导体研究所 ,集成光电国家重点实验室 ,北京 100083 ()2007 年 9 月 13 日收到 ;2007 年 11 月 16 日收到修改稿 采用量子阱混杂的材料集成技术制备并联分布反馈激光器和 Y 形波导耦合器集成的新型光电器件 . 两个并联 分布反馈激光器的激射模式在频率上稍有差别 ,这两束不同频率的激光在 Y 形波导耦合器拍频产生光学微波信 号 . 分别独立调节注入到两个激光器的电流大小 ,可以得到从 13 GHz 到 42 GHz 连续可调的光学微波信号. 关键词 : 光学微波信号生成 , 分布反馈激光器 , Y 形波导 , 拍频 PACC : 7820 , 4265 K , 4260B , 4280S 6 激光器产生自脉动的条件,随后多段激光器自脉 动的理论研究和实际器件的制备以及拍频产生光学 11 引言 微波信号等方面的研究报道很多 . 1992 年 Möhrle 和 ( 高频微波信号广泛应用于骨干光纤通信传输网Sartorius 的小组利用两段级联的分布反馈 distributed ) 络中 ,作为调制信号源直接调制半导体激光器等光 feedback ,DFB激光器 ,通过调整两个部分的注入电 电器件 ,利用光纤近 30 THz 的传输带宽和极低的传 流 ,得 到 两 个 光 模 式 的 非 线 性 耦 合 , 拍 频 获 得 了 2 7 GHz 到 10 GHz 的光学微波信号. 1998 年 Pham 等 输损耗 ,完成骨干网络高速大容量的信息传输任务. 10 GbitΠs 的骨干传输网络已经商业化并得到了广泛 人也报道了采用级联两段 DFB 激光器拍频产生光 8 应用 ,当前的骨干传输网向着更高的传输速率如 40 学微波信号. 1999 年 Wang 等 采 用 级 联 增 益 耦 合 GbitΠs 的速率发展. 但产生高频信 号 的 电 学 微 波 器 的 DFB 激光器获得了 12 —64 GHz 连续可调的光微 件的设计和制备相当复杂 ,器件的寄生参数严重限 波信号 ,并 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 对比了级联增益耦合 DFB 激光器与 级联折射率耦合 DFB 激光器微波信号产生机理的 制了信号的最高振荡频率 ; 而调制带宽也受半导体 9 激光器等光电器件张弛振荡频率的限制 ,使得光纤 异同. Hui 等同样采用强增益耦合级联 DFB 激光 10 传输系统难以达到更高的传输速率 . 同时光纤通信 器得 到 了 25 —80 GHz 的 光 微 波 信 号. 2001 年 网络中节点处的电光转换增加了系统的复杂性和成 Möhrle 和 Sartorius 的小组在两段级联 DFB 激光器结 本 . 直接采用光信号进 行 调 制 和 传 输 , 构 建 全 光 网 构中引入相位调谐区 ,更有效地调整两束光模式的 11 络 ,使用光学微波信号作为光网络中的光复用载波 ,相位 ,使其拍频产生光微波信号. 同时 ,基于两段 12 —14 光交叉互联信号 ,全光时钟恢复信号以及高速光孤 级联 DFB 激光器的自脉动拍频理论不断完善.1 —5 子信号等能够达到高的传输速率 , 在系统的成 本文有别于两段级联 DFB 激光器 , 报道由 InP 基并联 DFB 激光器和 Y 形波导耦合器集成产生光 本和性能上更具优势 . 因此 ,光学微波信号的产生和 15 传输对于基于光纤通信的高速大容量的现代通信系 学微波信号的新结构. 两个并联 DFB 激光器产生 统具有重要的意义. 不同频率的激射模式 ,在 Y 形波导耦合器通过拍频 产生光学微波信号. 独立调节注入到两个激光器的 半导体激光器的自脉动理论是产生光学微波信 电流大小 ,得到了在 13 GHz 到 42 GHz 连续可调的 号的理论基础 ,1985 年 Ueno 和 Lang 报道了两段式 ( ( ) ) 3 国家自然科学基金 批准号 :90101025 ,60776051,北京工业大学博士科研启动基金 批准号 : 52002013200701,北京工业大学青年科研基 ( ( ) ) 金 批准号 :97002013200701,北京市教委科技发展计划项目 批准号 : KM200710005015资助的课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . † E2mail : xiehongyun @bjut . edu. cn μ构作为有源层 ,带隙波长在 1155 . 该器件光微波信号的产生机理不同光学微波信号 m 左右. Y 形波导 于级联 DFB 激光器自脉动的拍频机理 ,能更独立地 耦合器为器件的无源部分 ,两个 DFB 激光器产生的 光同时进入 Y 形波导传输. 波导材料采用 In GaAsP 控制两个 DFB 激光器的激射模式 ,提高光学微波信 多量子阱结构 ,为减少波导传输时的吸收损耗 ,材料 号频率的可控性 ; 不同部分之间有更好的电学和光 带隙波长应小于有源部分的带隙波长 , 控制在 114 学隔离. 该集成器件为光纤通信系统中光学微波信 μm 左右. 有源部分和无源部分的集成通过量子阱混 号的产生提供了一种新的方法. ( ) 杂技 术 quantun well intermixing ,QWI实 现. 量 子 阱 混杂技术是一种生长后处理技术 ,首先在量子阱材21 器件设计 料的表层产生大量的点缺陷 ,我们采取 P 离子注入 的方法 ;然后在某种激励条件下 ,例如快速热退火促 并联 DFB 激光器和 Y 形波导耦合的集成器件 使点缺陷向量子阱区域移动 ; 最后点缺陷的移动诱 如图 1 所 示. 两 个 DFB 激 光 器 采 用 均 匀 布 拉 格 光 导量子阱Π垒材料的组分原子在界面处发生互混杂 , 栅 ,并具有同样的周期 . 由于 DFB 激光器谐振腔内 导致材料组分发生变化 ,从而使带隙波长蓝移 . 具体 光的周期性反射由布拉格光栅周期变化的折射率引 实验方法包括 :一次外延生长完成后 ,通过实验确定 ( 起 ,端面的损耗 包括 Y 形波导端面损耗和激光器 4500 ! 的氧化硅作为离子注入过程中 DFB 激光器有) 端面损耗,对激光器满足激射条件和光模式选择的 源区的掩模 ,在外延片表面制作 SiO掩模图形 , 使2 影响可以忽略 . 当不同的电流同时分别注入到两个 用 P 离子注入 ,在 200 nm 厚的 P2InP 没有 SiO保护 2 DFB 激光器 ,并且均大于激光器各自的阈值电流时 , 的地方引入了点缺陷 ,如图 2 所示. 通过 SRIM 软件 DFB 激光器会同时在布拉格波长附近激射. 由于注 模拟得出注入 P 离子能量为 50 keV 时 ,注入深度在 入的电流大小不同 ,损耗功率生成的热会不同 ,从而200 nm 附近 ,能够在 InP 层很好地引入缺陷同时不 影响器件的激射频率 ,激射波长在布拉格波长附近 影响 In GaAsP 量子阱层的质量. 因此能量 50 keV ,剂 随注入电流的增大而发生红移 ,向长波长方向偏移. 13 2 虽然 DFB 激光器的热稳定性较好 ,但电流变化引起 量 5 ×10 Πcm 的磷离子作为掺杂剂注入 Y 形无源 ( 耦合 区 . 然 后 样 品 在 700 ?下 做 快 速 热 退 火 rapit 的两束激光在频率上的些微差别足以在同时耦合进 ) thermal annealing ,RTA120 s , 并 用 SiO保 护 样 品 表 入 Y 形波导时 ,进行拍频产生微波信号. 另一方面 ,2 面防止 P 元素的大量损失. 完成 RTA 后 , Y 形波导 分别注入不同大小的电流 ,两个有源部分的载流子 耦合区材料的带隙波长蓝移约 130 nm ,如图 3 所示 密度就会不同 ,从而激射光的相位相应的不同. 两束 给出的样品有源区和无源区材料 的 PL 谱 . 两 个 区 光在 Y 形波导中进行非线性耦合时 ,调整两个注入 域的光荧光强度几乎相等 ,表明在采用 QWI 材料集 电流可以使两束光的相位差合适拍频产生光学微波 成技术前后 ,材料的质量几乎不受影响 ,保持在同样 信号. 下式给出了拍频产生光学微波信号的频率 : 高的水平 . 完成 QWI 后 ,有源区和无源区的多量子 2 μμ阱层对应的带隙波长分别为 1155 m 和 114 m ,如 ()Δλλ1 f = c ?Π, λΔλ其中 c 是真空中的光速 ,是布拉格波长 ,代表 两束激光间的频率差别 . 从材料结构设计方面考虑 ,DFB 激光器区是器 件的有源部分 ,采用 In GaAsP 应变补偿多量子阱结 图 1 DFB 激光器和 Y 形波导耦合器集成器件 图 2 离子注入过程示意图 4560 物理学报57 卷 图 3 所示 , 保 证 Y 形 波 导 耦 合 器 有 最 小 的 吸 收 损 耗 ,达到“透明传输”的要求 . 图 4 Y 形波导参数示意图 ( 的光传输情况 ,监测传输的总功率 包括波导功率和 图 3 QWI 前后有源区和无源区材料的 PL 谱 ) 泄漏功率等和每个分支的波导功率 . 在 R 固定为 4 mm ,25 mm 和 120 mm 时 , 分别扫描 DΠ2 从 1 至 15 Y 形波导耦合器的几何尺寸影响着波导的传输 16 μμm ,步长 015m 下得光传输 . 三种情况下模拟的结 损耗 ,是器件设计的一个重要部分. 我们采用 S2 ( ) 果类似 ,如图 5 a所示. 可 以 看 出 , 当 间 距 D 较 小 bend 形式的 Y 形波导结构 , 结构参数如图 4 所示. 时 ,波导中传输的光功率与总功率相比很小 ,这应该 传输损耗主要体现在波导弯曲损耗和散射损耗 ,而 是两个分支的相互作用引起的. 因此 D 应选择的足 它们主要决定于弯曲波导的曲率半径 、间距以及脊 够大 ,以保证良好的光隔离减少波导损耗 . 考虑合适 ( ) ( )形波导制作工艺. 波导的宽度 W、两分支间距 D μμ的器件尺寸 ,我们选择 DΠ2 为 10D 为20 m ,即 m.( ) ( ) 和 S 形波导的弯曲半径 R,弯曲波导长度 L 等对 确定弯曲波导的曲率半径 R 时 , 选择 D 为 20波导的传输损耗影响严重. 其中 L 可由 R , D 计算 , μμm ,扫描 R 从 1 mm 到 225 mm ,步长 10m 下传输的 所以只需要优化 W , R 和 D ,我们使用 BPM 方法模 ( ) 总功率和波导功率 ,模拟结果如图 5 b所示. 在 R 拟波导的传输损耗 ,优化各个几何尺寸. < 4 mm 时 , Y 形波导的 S2bend 弯曲损耗非常严重 , 波导需要 单 模 传 输 , 模 拟 计 算 不 同 W 下 的 模 而 R > 9 mm 时 ,传输功率基本不随 R 变化. 考虑器 μ式 ,发现只有当 W ?2m 时为单横模工作. 而 W 太 件尺寸和波导内部随传输距离增加的损耗 , R 不宜 小则会减小波导与光纤的耦合效率 ,提高制作工艺 过大 ,我们取 R = 4 mm 为宜. 图 6 是 Y 形波导在 Wμ 的难度 ,所以取 W = 2m. μμ = 2m , D = 20m , R = 4 mm 的几何尺寸下 ,光传输我们首先基于有源区材料结构得到激光器的基 损耗的情况 ,波导总功率损耗 3198 dB ,单支波导功 模模式分布 ,并将基模加载到 Y 形波导耦合器的输 率损耗 4137 dB ,接近理想的 3 dB 损耗. 入端 . 然后采用 BPM 方法模拟不同间距 D 下波导 () ( ) 图 5 不同器件参数下 Y 形波导中光传输的模拟结果 a传输功率与间距 D 的关系 ; b传输功率与弯曲半径 R 的关系 图 7 集成器件整体示意图 图 6 Y 形波导的传输损耗 31 器件制备 器件制备在 n 型磷化铟衬底上 ,采用金属化学 () 气相淀积 MOCVD在 665 ?的生长温度下依次外延 () 生长得到下波导层 low waveguide layer,多量子阱层 () ( ) MQW layer,上波导层 upper waveguide layer和 InP ( ) 盖层 InP cladding layer. 接 下 来 采 用 量 子 阱 混 杂 QWI 技术实现有源区材料和无源区材料的集成 . 两 个 DFB 激光器的布拉格光栅采用全息曝光方法制 备 . 上波导层上的磷化铟层为无源区的掩模 ,两个布 拉格光栅制备在有源区的上波导层 ,并具有同样的 布拉格周期 . 刻蚀去掉磷化铟牺牲层后进行二次外 图 8 改变注入电流产生的频率差 延 ,生长 p 型磷化铟盖层和 p 型铟钾砷接触层. 器件 μ的脊形波导以 200 m 的氧化硅为掩模由反应离子 刻蚀得到. 刻蚀掉脊波导隔离区的铟钾砷层作好不 同部分间的隔离. 最后溅射 p 型 TiΠAu 金属并蒸发 n 型 AuΠGeΠNi 金属完成器件制作 . 图 7 给出了整个器 μμ件的示意图 . 脊波导宽约 2m ,整个器件长 720 m , μ其中 DFB 激光器和 Y 形波导耦合器分别为 300 m μμ和 400m ,中间隔离区约为 20 m. 41 实验结果 图 9 拍频产生的 26164 GHz 的光微波信号 DFB 激光器端和 Y 形波导耦合器端腔面的出 μ1156峰值波长 m ,边模抑制比达到 30 dB 以上. 光功率分别为 7 mW 和 3 mW ,说明 Y 形波导耦合器 当两个 独 立 的 电 流 同 时 分 别 注 入 到 两 个 DFB的传输损耗约为 57 % ,接近于理想 Y 形耦合器的传 激光器 ,两个电流均大于激光器各自的阈值电流 ,并输损耗值. 从 Y 形波导耦合器出光端面测得的激射 4562 物理学报57 卷 且相差 20 mA 或者以上时 ,产生的两束激光在频率 上有差别 ,同时耦合进入 Y 形波导进行拍频可以产 51 结论 生光学微波信号. 固定一个注入电流在 60 mA ,在 80 本文报道一种由并联 DFB 激光器和 Y 形波导mA 到 100 mA 范围内改变另外一个注入电流 ,两束 耦合器构成的新型光电集成器件 ,产生光学微波信 激光的频率差如图 8 所 示 , 得 到 了 在 13 GHz 到 42 GHz 范围 内 连 续 调 谐 的 微 波 信 号. 图 9 是 频 率 为号 . 注入磷离子的 QWI 技术用以实现 DFB 激光器区 26164 GHz 的 光 学 微 波 信 号 , 拍 频 产 生 的 光 学 微 波 有源材料和 Y 形波导耦合器区无源材料的集成 . 在 信号由 ADVAN R3182 频率分析仪测得. 由于没有进 Y 形波导耦合区 ,拍频来自 DFB 激光器的两束频率 一步控制调整两束激光的相位 ,产生的光微波信号 稍有差别的激光 ,得到光学微波信号. 改变注入到激 光器的电流得到了连续可调的光学微波信号 ,调谐 的噪声较大 . 进一步优化器件结构能够得到更宽的 信号带宽和较小的噪声 . 范围为 13 GHz 到 42 GHz. 10 ] 1 ] Wang X L ,Li G F , Charles S I 1993 J . Lightwave Technol . 11 309 et al 1999 I EEE Photon . Technol . Hui R , Zhe B , Demarest K , 2 ] Georges B J ,Lau K Y 1993 I EEE Photon . Technol . Lett . 5 242 Lett . 11 518 3 ] Sun C K , Orazi R J , Pappert S A , Bums W K 1996 I EEE Photon . Mhrle M , Sartorius B et al 2001 I EEE J . Selected Topics in 11 ] ö Quantum Electron . 7 217 Technol . Lett . 8 1166 Wang C L , Wu J , Lin J T 2003 Chinese Physics 12 528 I EEE Photon . Technol . Lett . 6 796 4 ] Swanson E A , Chinn S R 1994 12 ] Swanson E A , Chinn S R 1995 I EEE Photon . Mohammed A , Li G F 2005 I EEE J . Quantum Electron . 41 525 5 ] 13 ] Technol . Lett . 7 114 14 ] Tian J , Ren C , Feng S et al 2006 Chinese Physics 15 2471 6 ] Ueno M , Lang R 1985 J . Appl . Phys . 58 1689 Möhrle M , Feiste U , Horer J , Molt R , Sartorius T 1992 15 ] Xie H Y , Wang L , Zhao L J , Zhu H L , Wang W 2007 Chinese 7 ] I EEE Physics 16 1459 Photon . Technol . Lett . 4 976 Xiao J B , Ma C F , Zhang M D , Sun X H 2006 Acta . Phys . 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Optical microwave signal was generated in the Y2branch waveguide coupler through frequency beating of the two laser modes coming from two DFB lasers in parallel , which had a small difference in frequency . Continuous rapidly tunable optical microwave signals from 13 GHz to 42 GHz were realized by adjusting independently the driving currents injected into the two DFB lasers. Key words : optical microwave generation , distributed feedback laser , Y2branch , beat2frequency PACC : 7820 , 4265 K , 4260B , 4280S ( ) 3 Project supported by the National Natural Science Foundation of Chnia Grant Nos. 90101025 ,60776051, Startup Foundation for P. h. D. of Beijing ( ) ( ) University of Technology Grant No . 52002013200701, Young Science Foundation of Beijing University of Technology Grant No . 97002013200701, ( ) the Beijing Municipal Education Committee of China Grant No . KM200710005015. † E2mail : xiehongyun @bjut . edu. cn