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基于OCI系統(tǒng)的片上微環(huán)器件表征

摘要:使用OCI1500系統(tǒng),通過背向表征方法,可準(zhǔn)確、方便地提取微環(huán)的傳播損耗和自由光譜范圍等特征。

  ICC訊 片上微環(huán)諧振腔的損耗特征關(guān)系到整個(gè)器件的光學(xué)性能,傳統(tǒng)的透射表征方法容易受到片上其他器件的干擾,當(dāng)測(cè)量超高Q值的微環(huán)時(shí),光譜儀分辨率不足將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。使用OCI1500系統(tǒng),通過背向表征方法,可準(zhǔn)確、方便地提取微環(huán)的傳播損耗和自由光譜范圍等特征。

  測(cè)試過程

  微環(huán)的尺寸較小,但是由于損耗較低,光會(huì)在微環(huán)的內(nèi)部環(huán)繞傳播很長的時(shí)間,通過探測(cè)傳播過程中每個(gè)位置處的回波信號(hào),我們可以提取環(huán)內(nèi)的損耗性質(zhì)。測(cè)試原理如圖1所示。我們表征的微環(huán)是一個(gè)Ge摻雜型的二氧化硅微環(huán),半徑為1600μm,芯區(qū)的折射率為1.48,包層折射率為1.44左右,微環(huán)的界面尺寸為4μm*4μm。

圖1. 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

  首先,我們將OCI1500系統(tǒng)接入微環(huán)器件,設(shè)置掃描的波長范圍與微環(huán)的工作波長范圍重合,然后進(jìn)行約80nm掃頻范圍的測(cè)試。

  由于這個(gè)范圍內(nèi)包括了很多個(gè)諧振頻率,所以我們可以在OCI系統(tǒng)上,選取距離域信號(hào)進(jìn)行iFFT變換,從而得出微環(huán)的頻率響應(yīng)。

  通過測(cè)量相鄰兩個(gè)諧振峰的波長間隔,我們可以得到微環(huán)的自由光譜范圍。最后,我們通過擬合光傳播信號(hào)曲線,得出微環(huán)的損耗值。

測(cè)試結(jié)果

  第一次寬譜掃描的結(jié)果如圖2所示??梢钥闯觯m然微環(huán)腔的環(huán)波導(dǎo)周長不到1cm,整個(gè)芯片從頭至尾的長度也只有約1.5cm,但是我們?cè)诰嚯x域上測(cè)得了將近2m的傳播路徑,這就是耦合入微腔的諧振光,在微腔內(nèi)進(jìn)行環(huán)繞傳播的距離。

  從OCI系統(tǒng)耦合入微腔的光,其相對(duì)的信號(hào)強(qiáng)度從約-100dB衰減至-130dB,最終在約6.5m的距離處,淹沒于OCI系統(tǒng)的本底噪聲之中。

  圖2. 微環(huán)內(nèi)的距離域傳播特征

  利用OCI系統(tǒng)的頻域表征模塊,我們得到了環(huán)內(nèi)傳播的諧振光距離域信息,也就是從4.5m到約6.5m的區(qū)域,由于我們的掃頻范圍包括了微腔的很多諧振頻率,所以這一段曲線實(shí)際上是所有諧振光貢獻(xiàn)的總和。

  根據(jù)光頻域反射原理,選取距離域上的任意一段路徑,對(duì)這段曲線進(jìn)行反傅里葉變換(iFFT)算法處理,得出此段路徑的OFDR頻率響應(yīng),結(jié)果如圖3所示。

  圖3. 微環(huán)的頻率響應(yīng)

  最后,對(duì)諧振腔的距離域譜線進(jìn)行了擬合測(cè)量。為了驗(yàn)證該表征技術(shù)的準(zhǔn)確性,我們還制備了3個(gè)耦合長度(L)不同的微環(huán),分別被命名為微環(huán)A(L=600μm)、微環(huán)B(L=400μm)和微環(huán)C(L=200μm),它們的傳播損耗測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

  圖4. 三種耦合長度微腔的距離域傳播特征

  通過曲線分析,可以求出它們的損耗值分別為-7.8dB/m、-7.0dB/m和-5.1dB/m。反映了隨著耦合長度的減小,微環(huán)與耦合直波導(dǎo)的耦合強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減小,使得光在微環(huán)中每繞一周的傳播損耗降低。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)論

  利用OCI系統(tǒng)表征微環(huán)器件,可以方便地獲得光在微環(huán)中的距離域傳播曲線,通過譜線分析,可以準(zhǔn)確地提取微環(huán)的頻率響應(yīng)和傳播損耗特征。該技術(shù)還可以推廣到其他各類光學(xué)微腔的表征實(shí)驗(yàn)中,特別是超高Q值微腔的表征。理論上Q值越高,OCI系統(tǒng)距離域的采集點(diǎn)會(huì)越多,測(cè)量反而會(huì)更容易,說明該系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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