ERK'2020, Portorož, 37-40 37 Generator THz optiˇ cnega signala z DFB lasersko diodo Blaˇ z Pongrac 1 , Duˇ san Gleich 1 1 Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, raˇ cunalniˇ stvo in informatiko, Koroˇ ska cesta 46, 2000 Maribor, Slovenija E-poˇ sta: blaz.pongrac1@um.si THz signal generator using a Single DFB Laser Diode This paper presents a frequency-modulated optical sig- nal generator in the THz band. The proposed method is based on a fast optical frequency sweep of a single nar- rowband laser diode used together with an optical fiber interferometer. The optical frequency sweep using a sin- gle laser diode is achieved by generating short current pulses with a high amplitude, which are driving the laser diode. Theoretical analysis showed that the modulation frequency could be changed by the optical path difference of the interferometer or optical frequency sweep rate of a laser diode. This paper presents a method for con- stant frequency and chirped signal generation using a programmable current pulse waveform. The experimen- tal results showed that the proposed signals could be gen- erated within a microwave (1 - 30 GHz) and THz band (0.1 - 0.3 THz). 1 Uvod V zadnjih letih se je povpraˇ sevanje po visoki nosilni fre- kvenci, visoki pasovni ˇ sirini in visokih hitrostih prenosa moˇ cno poveˇ calo. Frekvenˇ cni pas mikrovalov in frekvenˇ cni pas THz valov nam ponujata doslej ˇ se neraziskane moˇ znosti hitrega prenosa podatkov, sploh frekvenˇ cni pas THz va- lov (med 0,1 in 10 THz [1]), ki nam, zaradi svojih lastno- sti [2], omogoˇ ca npr. detekcijo eksploziva, zajem slik z visoko resolucijo in ˇ sirokopasovne komunikacije. Tre- nutne tehnologije generiranja in detektiranja THz valov so drage, saj na trgu primanjkuje cenovno dostopnih od- dajnikov, detektorjev, valovodov z nizkimi izgubami in linearnih ter ˇ sirokopasovnih naprav. Opto-elektriˇ cne metode generiranja in detektiranja THz valov v veˇ cini temeljijo na vzbujanju fototoka v kristalih in polprevodniˇ skih napravah [3], ki jih imenujemo foto prevodne antene (ang. Photoconductive Antenna, PCA). PCA uporabljamo tako za generiranje, kot tudi za ko- herentno detektiranje THz valov. Avtorji v [4] so po- kazali, da moramo za koherentno detektiranje THz va- lov PCA oddajnik in PCA detektor osvetliti s svetlobo iz istega svetlobnega vira. Trenutne metode generira- nja optiˇ cnih signalov, ki jih uporabljamo pri generira- nju/detektiranju THz valov s PCA, vkljuˇ cujejo uporabo fs-laserjev, s pomoˇ cjo katerih lahko generiramo kratek optiˇ cni impulz [3], in mnoˇ zenje dveh periodiˇ cnih optiˇ cnih signalov z razliˇ cno valovno dolˇ zino, ki nam omogoˇ ca ge- neriranje periodiˇ cnea signala s THz frekvenco [1]. Pri generiranju periodiˇ cnih signalov s THz frekvenco upo- rabljamo laserske diode s porazdeljeno povratno vezavo (ang. Distributed Feedback, DFB), ki jim lahko s tem- peraturo nastavljamo valovno dolˇ zino generiranega laser- skega valovanja. Nastavljanje te valovne dolˇ zine je poˇ casno [5] in zato ni primerno za aplikacije, kjer potrebujemo hi- tre spremembe. V tem prispevku je prikazan naˇ cin hitrega premika optiˇ cne frekvence laserske svetlobe, ki nam omogoˇ ca ge- neriranje optiˇ cnih signalov s frekvenco v THz frekvenˇ cnem pasu. Predlagana metoda temelji na hitrem frekvenˇ cnem premiku svetlobe, ki jo generiramo z ozkopasovnim la- serskim virom, in neuravnoteˇ zenim optiˇ cnim vlakenskim interferometrom. Izpeljan je bil teoretiˇ cni model pre- dlagane metode, ki je pokazal, da je frekvenca generi- ranega signala odvisna od hitrosti frekvenˇ cnega premika in neuravnoteˇ zenosti optiˇ cnega interferometra oz. raz- like optiˇ cnih poti (ang. Optical Path Difference, OPD). OPD lahko nastavimo s spreminjanjem dolˇ zine optiˇ cnega vlakna, za kar se uporabljajo piezoelektriˇ cni (PZT) kri- stali [6]. Raztegovanje optiˇ cnega vlakna s PZT krista- lom ni primerno v predstavljeni metodi, saj lahko spre- menimo dolˇ zino vlakna za nekaj milimetrov pri dolˇ zini vlakna nekaj metrov [6]. Avtorji v [7] in [8] predlagajo hitro linearno frekvenˇ cno premaknitev laserske svetlobe z uporabo tokovnega sunka z veliko amplitudo in kratko dolˇ zino. S predlaganim hitrim frekvenˇ cnim premikom lahko frekvenco generiranega signala spreminjamo s fre- kvenca ponavljanja tokovnih sunkov. Glavna prednost predlaganega generatorja optiˇ cnih signalov je sposobnost generiranja kompleksnih oblik signalov. Iz eksperimen- talnih rezultatov in teoretiˇ cnega modela lahko sklepamo, da lahko generiramo optiˇ cne signale s frekvenco v mikro- valovnem in THz frekvenˇ cnem pasu. 2 Visoko-frekvenˇ cna optiˇ cna modulacija Predlagan optiˇ cni generator je prikazan na Sliki 1. Sesta- vljen je iz frekvenˇ cno nastavljivega optiˇ cnega vira in neu- ravnoveˇ senega vlakenskega interferometra. Svetlobna ja- kost, odbita iz vlakenskega interferometra, je v sploˇ snem definirana z: I r (t) = I 0 2 1+cos 2nL! (t) c (1) 38 Slika 1: Predlagan optiˇ cni generator, ki uporablja optiˇ cni vir s frekvenˇ cno premaknitvijo in debalansiran interferometer. kjer je I 0 svetlobna jakost, n efektivni lomni koliˇ cnik, L predstavlja OPD,!(t) optiˇ cna kroˇ zna frekvenca inc hitrost svetlobe. ˇ Ce uporabimo optiˇ cni vir s frekvenˇ cni premikom, postane !(t) funkcija ˇ casa, fazo kosinusne funkcije v enaˇ cbi (1) pa lahko opiˇ semo z: (t) = 2nL c ! 0 + @! @t t (2) kjer je! 0 izhodiˇ sˇ cna optiˇ cna kroˇ zna frekvenca. Privza- memo, da je hitrost premika optiˇ cne kroˇ zne frekvence konstanta. Optiˇ cna kroˇ zna frekvenca se po ˇ casu linearno dviguje, odbiti optiˇ cni signal iz interferometra pa dobi sinusno ˇ casovno karakteristiko. Neuravnoveˇ sen optiˇ cni interferometer, ki ga napajamo z optiˇ cnim virom z line- arno frekvenˇ cno premaknitvijo, bo tako generiral sinusni optiˇ cni signal, katerega frekvenco lahko doloˇ cimo z: f = 2nL 2c @! @t = 2 c nL @ @t (3) kjer je@=@t hitrost optiˇ cnega frekvenˇ cnega premik. Vi- dimo, da je frekvenca generiranega sinusnega signala enaka produktu hitrosti optiˇ cne frekvenˇ cne premaknitve in OPD. Poudarimo, da smo pri izbiri teh dveh parametrov ome- jeni, saj je optiˇ cna frekvenˇ cna premaknitev vedno ome- jena z obsegom in hitrostjo v vseh praktiˇ cnih virih. Zato je optiˇ cna frekvenˇ cna premaknitve v praktiˇ cnih optiˇ cnih virih vedno omejeno. Iz zapisanega sledi, da je dolˇ zina optiˇ cnega signala vedno omejena, kar pa nam omeji najveˇ cji moˇ zen OPD optiˇ cnega interferometra, saj moramo zago- toviti, da se dva optiˇ cna signala prekrivata v prostoru. Po- udarimo, da pri uporabi laserskih virov s poˇ casno optiˇ cno frekvenˇ cno premaknitvijo potrebujemo izjemno velik OPD, ˇ ce ˇ zelimo generirati signale s frekvenco v THz frekvenˇ cnem pasu. Kadar ˇ zelimo generirati signala s frekvenco v mi- krovalovnem frekvenˇ cnem pasu ali THz frekvenˇ cnem pasu, moramo uporabiti laserske vire s hitro frekvenˇ cno prema- knitvijo, zaˇ zeleno v dolˇ zini nekaj 10 ns, kjer je OPD pod 1 km. Kadar optiˇ cno kroˇ zno frekvenco iz enaˇ cbe (2) v ˇ casu spreminjamo nelinearno, lahko generiramo zahtevnejˇ se oblike signalov. ˇ Ce privzamemo, da je hitrost premakni- tve optiˇ cne frekvence@=@t linearna funkcija, lahko ge- neriramo optiˇ cni frekvenˇ cni ˇ zviˇ zg, ki je definiran kot: f(t) = 2 c nL @ @t (t) (4) Slika 2: Zgradba predlaganega generatorja optiˇ cnih signalov z Michelsonovim in Fabry-Perotovim interferometrom. 3 Generator optiˇ cnih signalov s hitro pre- maknitvijo optiˇ cne frekvence Predlagan optiˇ cni generator je prikazan na Sliki 2. Se- stavljen je iz DFB laserske diode in generatorja tokovnih sunkov, ki nam sluˇ zi za generiranje frekvenˇ cno prema- knjenega signala, in dveh razliˇ cnih tipov optiˇ cnih vlaken- skih interferometrov (Michelsonov in Fabry-Perotov in- terferometer). Uporaba vlakenskih interferometrov nam omogoˇ ca kompaktno in robustno izvedbo signalnega ge- neratorja. Optiˇ cni signali so bili merjeni z optiˇ cnim de- tektorjem N7004A proizvajalca Keysight in z oscilosko- pom UXR0334A proizvajalca Keysight. 3.1 Naˇ crtovanje in izdelava neuravnoveˇ senih vlaken- skih interferometrov V predlaganem generatorju optiˇ cnih signalov sta bila upo- rabljena dva tipa optiˇ cnih vlakenskih interferometrov: (i) Michelsonov in (ii) Fabry-Perotov interferometer. Zrcala v Fabry-Perotovih vlakenskih interferometrih so bila iz- delana s tehniko napraˇ sevanja visoko-odbojnih materia- lov (TiO 2 ), ki so bila nato varjena z ustrezni programom varjenja optiˇ cnih vlaken [9]. Odbojnost zrcal v Fabry- Perotovih interferometrih je dosegla 10 %. Zrcala v Mi- chelsonovih vlakenskih interferometrih so bila izdelana z tehnologijo napreˇ savanja materialov (Al), doseˇ zena pa je bila 30 % odbojnost zrcal. Izdelanih je bilo veˇ c interfe- rometrov, ki so bili naˇ crtani s pomoˇ cjo enaˇ cbe (3) glede na ˇ zeleno frekvenco generiranega signala pri dolˇ zini to- kovnega sunkaT s = 250 ns. Dolˇ zine interferometrov so predstavljene v Tabeli 1. Tabela 1: OPD Michelsonovih in Fabry-Perotovih interfeorme- trovL za ˇ zeleno frekvencof. f (GHz) 1 8 15 30 100 200 300 L (m) 0.02 0.16 0.3 0.61 2.03 4.06 6.1 3.2 Generator tokovnih sunkov Predlagan laserski vir s hitro optiˇ cno frekvenˇ cno prema- knitvijo je zgrajen iz standardne telekomunikacijske DFB laserske diode, ki je tokovno vodena s kratkim tokov- nim sunkom visoke amplitude. Tokovno vodenje teme- lji na metodi, ki so jo avtorji podrobneje opisali v [7]. Metoda uporablja selektivno in hitro gretje aktivnega po- droˇ cja DFB diode, pri ˇ cemer z ustrezno valovno obliko tokovnega sunka lahko ustvarimo linearni premik optiˇ cne frekvence laserskega vira. 39 Slika 3: Oblika tokovnega sunka: a) linearni premik optiˇ cne fre- kvense sTs = 250 ns, b) nelinearni premik optiˇ cne frekvence s Ts = 250 ns. Obliko tokovnega sunka, dolˇ zino sunka in njegovo maksimalno amplitudo so za linearni premik optiˇ cne fre- kvence doloˇ cili avtorji v [8] in je prikazana na Sliki 3 (a). Tokovni sunek lahko doloˇ cimo kotI(t) = I (t) + I DFB (t), kjer jeI linearna funkcija premika optiˇ cne fre- kvence, ki nam pove, da je hitrost spreminjanja optiˇ cne frekvence konstanta funkcija ˇ casa, inI DFB (t) je karak- teristiˇ cna krivulja izbrane DFB laserske diode in je enaka ne glede na obliko signala, ki jo ˇ zelimo generirati.I DFB (t) je bila eksperimentalno doloˇ cena v [8]. ˇ Ce spremenimo I , lahko generiramo razliˇ cne oblike optiˇ cnih signalov. Oblika tokovnega sunka, s pomoˇ cjo katere lahko generi- ramo optiˇ cni frekvenˇ cni ˇ zviˇ zg, je kvadratiˇ cne oblike, kot je prikazana na Sliki 3 (b). 4 Eksperimentalna evalvacija Generator optiˇ cnih signalov je bil evalviran v dveh razliˇ cnih scenarijih. V prvem scenariju je bila uporabljena linearna premaknitev optiˇ cne frekvence v dolˇ zini tokovnega sunka T s = 250 ns in interferometri obeh tipov z OPD iz Tabele 1. V drugem scenariju sta bila uporabljena Michelsonov interferometer zL = 0;033 m in Fabry-Perotov inter- ferometer zL = 0;02 m ter oblika tokovnega sunka, ki je predstavljena na Sliki 3 (b). 4.1 Generiranje signalov z linearno premaknitvijo optiˇ cne frekvence Slika 4 (a)-(d) in Slika 5 (a)-(d) prikazuje generirane optiˇ cne signale z dolˇ zino tokovnega sunkaT s = 250 ns pri upo- rabi Michelsonovih in Fabry-Perotovih interferometrov z OPD iz Tabele 1, kjer je ˇ zelena frekvenca manjˇ sa ali enaka 30 GHz. Generiranim optiˇ cnim pulzom ob zaˇ cetku Slika 4: S Fabry-Perotovim interferometrom generirani signal z OPDL iz Tabele 1: (a) 1 GHz, (b) 8 GHz, (c) 15 GHz, (d) 30 GHz. Slika 5: Z Michelsonovim interferometrom generirani signal z OPDL iz Tabele 1: (a) 1 GHz, (b) 8 GHz, (c) 15 GHz, (d) 30 GHz. pulza amplituda hitro naraste, nato pa zaradi naraˇ sˇ canje temperature v aktivnem podroˇ cju DFB laserske diode pride do zmanjˇ sanja emisije fotonov. Moˇ c optiˇ cnega signala zato zaˇ cne padati in pade na vrednost 0 ob koncu to- kovnega sunka pri ˇ casu T s . Iz signalov, pri katerih je priˇ cakovana frekvenca pod 30 GHz lahko frekvence ge- neriranih signalov razberemo iz Slike 4 (a)-(d) in Slike 5 (a)-(d) ter jih prikaˇ zemo v Tabeli 2. Frekvenca generi- ranega signala je stabilna, odstopa pa od ˇ zelene vredno- sti zaradi razlike med ocenjenim OPD in med praktiˇ cno implementacijo interferometra. Iz Slike 6 (a)-(f) lahko razberemo zakasnitve t d , ki so posledica veˇ cjega OPD. OPD je pri ˇ zelenih frekvencah nad 100 GHz v Tabeli 1 ˇ se dovolj majhen, da v interferometrih pride do prekrivanja Tabela 2: Izmerjene frekvencefM andfFP pri uporabi Michel- sonovega in Fabry-Perotoveg interferometra z OPD iz Tabele 1. f(GHz) f M (GHz) f FP (GHz) 1 1.6 1.02 8 6.25 7.9 15 16.3 15.3 30 29.2 31.1 40 Slika 6: Generirni optiˇ cni signali z OPD interferometrovL iz Tabele 1: (a) Fabry-Perotov interferometer, f = 0:1 THz (b) Fabry-Perotov interferometer,f = 0:2 THz, (c) Fabry-Perotov interferometer, f = 0:3 THz (d) Michelsonov interferometer, f = 0:1 THz (e) Michelsonov interferometer,f = 0:2 THz, (f) Michelsonov interferometer,f = 0:3 THz. Slika 7: Generiran optiˇ cni frekvenˇ cni ˇ zviˇ zg in pripadajoˇ ci spek- ter: (a) Michelsonov interferometer z L = 0;033 m, (b) Fabry-Perotov interferometer zL = 0;02 m. odbitih signalov. Zaradi omejitve merilne opreme lahko z opremo, ki nam je na voljo, detektiramo samo ovojnico generiranega signala. 4.2 Generiranje signalov z nelinearno premaknitvijo optiˇ cne frekvence Slika 7 (a)-(b) prikazuje generiran optiˇ cni frekvenˇ cni ˇ zviˇ zg. Generiran je bil s pomoˇ cjo tokovnega sunka, ki je prika- zanega na Sliki 3 (b). Uporabljena sta bila Michelsonov interferometer z OPDL = 0;033 m in Fabry-Perotov interferometer z OPD L = 0;02 m. Iz spektra gene- riranih signalov lahko doloˇ cimo generirane frekvence, in sicer 1 GHz do 3 GHz za Michelsonov interferometer in 0,5 GHz do 2 GHz za Fabry-Perotov interferometer. Ker s segrevanjem aktivnega podroˇ cja DFB diode optiˇ cna moˇ c pada, padajo tudi amplitude generiranih frekvenc, saj so viˇ sje frekvence generirane proti koncu dolˇ zine tokovnega sunkaT s . 5 Sklep V ˇ clanku je predstavljena metoda generiranja frekvenˇ cno moduliranega optiˇ cnega signala, s pomoˇ cjo katerega lahko generiramo optiˇ cne signale s frekvenco v THz frekvenˇ cnem pasu. Generator optiˇ cnih signalov je sestavljen iz DFB laserske diode in generatorja tokovnih sunkov, s pomoˇ cjo katerega lahko izvedemo linearno in nelinearno prema- knitev optiˇ cne frekvence laserskega sevanja. Predlagani generator optiˇ cnih signalov je bil eksperimentalno eval- viran. V prvem eksperimentu je bil uporabljen tokovni sunek, s pomoˇ cjo katerega smo izvedli linearno prema- knitev optiˇ cne frekvence. Kot rezultat so bili generirani optiˇ cni signali s sinusno karakteristiko. Merjeni signali so bili v skladu s teoretiˇ cnim modelom. V drugem ekspe- rimentu je bil generiran optiˇ cni frekvenˇ cni ˇ zviˇ zg s pomoˇ cjo tokovnega sunka, ki omogoˇ ca linearno spreminjanje hi- trosti premika optiˇ cne frekvence. S pomoˇ cjo obeh ek- sperimentov je bilo pokazano, da lahko s predlaganim generatorjem optiˇ cnih signalov generiramo tako signale s konstantno frekvenco, kot tudi bolj kompleksne oblike signalov (frekvenˇ cni ˇ zviˇ zg), generirani optiˇ cni signali pa so primerni za generiranje in detektiranje THz valov z uporabo PCA. V nadaljnjem delu je smiselno raziskati moˇ znosti nastavljanja generirane frekvence s spremembo oblike toka, saj je spreminjanje OPD nepraktiˇ cno. Raziskave in razvoj so bile sofinancirane s strani ARRS, ˇ st. projekta J7-9408. Literatura [1] Safian, R.; Ghazi, G.; Mohammadian, N. Review of pho- tomixing continuous-wave terahertz systems and current application trends in terahertz domain. Opt. Eng. 2019, 58, 1. doi:10.1117/1.oe.58.11.110901. [2] Naftaly, M.; Vieweg, N.; Deninger, A. Industrial applica- tions of terahertz sensing: State of play. Sensors (Switzer- land) 2019, 19. [3] Yun-Shik Lee. Principles of Terahertz Science and Techno- logy; Springer US, 2009. doi:10.1007/978-0-387-09540-0. [4] Saeedkia, D. Terahertz photoconductive antennas: Princi- ples and applications. Proc. 5th Eur. Conf. Antennas Pro- pagation, EUCAP 2011 2011, pp. 3326–3328. [5] Guo, R.; Lu, J.; Liu, S.; Shi, Y .; Zhou, Y .; Chen, Y .; Luan, J.; Chen, X. Multisection DFB Tu- nable Laser Based on REC Technique and Tuning by Injection Current. IEEE Photonics J. 2016, 8, 1–7. doi:10.1109/JPHOT.2016.2585923. [6] Henderson, D.A.; Hoffman, C.; Culhane, R.; Viggiano III, D. Kilohertz scanning all-fiber optical delay line using pi- ezoelectric actuation. Fiber Opt. Sens. Technol. Appl. III 2004, 5589, 99. [7] Njegovec, M.; Donlagic, D. Rapid and broad wave- length sweeping of standard telecommunication distribu- ted feedback laser diode. Opt. Lett. 2013, 38, 1999. doi:10.1364/ol.38.001999. [8] Njegovec, M.; Donlagic, D. Interrogation of FBGs and FBGs Arrays Using Standard Telecom DFB Diode. J.Light. Technol. 2016, 34, 5340–5348. [9] Bendoula, R.;Wacogne, B.; Pieralli, C.; Gharbi, T. Fa- brication of an intrinsic fiber Fabry-Perot interferometer involving simple in situ control of multilayer TiO2-SiO2 mirrors: Material properties studies and cavity interroga- tion procedure. Optical Engineering - OPT ENG 2005, 44. doi:10.1117/1.2049273.