應用分享丨以亞皮米級光譜分辨率測試PIC中的微環(huán)諧振腔

  微環(huán)諧振腔是集成光子學(PIC)技術中的關鍵組件。但隨著它們的性能不斷提高，需要越來越精確的測試和測量解決方案。EXFO的測試平臺可以解決這一需求。

  在集成光子學領域，微環(huán)諧振腔發(fā)揮了關鍵作用，是推動該技術發(fā)展的重要力量。作為一種干涉儀，它能夠產(chǎn)生非常尖銳的光譜特征，因此，不僅可以用作超靈敏探測器，還可以在基于光子集成電路的窄線寬可調激光器中作為波長濾波器使用。此外，它還可以作為緊湊且超低電壓的光學調制器，有望在日益耗電的電信和數(shù)據(jù)通信行業(yè)中帶來革命性的改變。微環(huán)諧振腔的結構由一個環(huán)狀波導和一個或多個線性波導組成，這些波導被放置得足夠近，以便部分光能夠在它們之間耦合，從而形成高效的光學諧振腔。品質因數(shù)(或Q值)是衡量器件干涉效率的一個重要指標——Q值越高，器件的效率也就越高，并且與器件的光譜性能直接相關。隨著低損耗結構和材料的不斷發(fā)展，基于集成光子環(huán)諧振腔的干涉儀可以實現(xiàn)高達數(shù)百萬的Q值。鑒定這類無源光器件的光譜響應變得越來越具有挑戰(zhàn)性。除其他性能參數(shù)外，Q 因子的光譜測量不僅需要高精度和高準確度，還需要在短時間內完成測試，因為一個集成光子學晶片上就有數(shù)千個這樣的元件。本文詳細介紹了測量這些微環(huán)諧振腔結構所面臨的主要挑戰(zhàn)，并深入探討了如何實現(xiàn)快速、準確和高分辨率地鑒定微環(huán)諧振腔的光譜特性。特別值得一提的是，由CEA-Leti提供的高Q值諧振腔的測量案例，為我們展示了一種高效表征PICs中這些關鍵器件的方法，為未來的研究和應用提供了寶貴的參考。

圖1. 環(huán)形諧振腔，圖片由CEA-Leti提供

  微環(huán)諧振腔的光譜特性

  微環(huán)諧振腔的傳輸光譜的基本模式由與環(huán)形腔體的共振相對應的洛倫茲形狀凹槽組成。然后，該模式以與諧振腔的自由光譜范圍相對應的間隔重復出現(xiàn)。這種特性的高對比度對環(huán)的物理和光學特性以及與附近線性波導的相互作用密切相關。近年來，微環(huán)諧振腔已經(jīng)展示出具有數(shù)百萬的Q值，這使它們成為調制器、濾波器或傳感器等應用中的重要組件。這樣的Q值大致轉化為小于1 pm的光譜共振帶寬和幾分貝的光峰深度。在鑒定這類器件的特性時，峰值的光譜位置、峰值之間的間距以及峰值的高度和寬度是關鍵的參數(shù)，通過分析這些參數(shù)信息，可以評估環(huán)形諧振腔是否適合特定應用。然而，要獲取這些高對比度特性的光譜信息卻是一個巨大的挑戰(zhàn)，我們需要可靠地讀取波長和光功率信息。因此，測試儀器需要飛米級的光譜分辨率，還需要能夠處理10 dB/pm的功率波動。對環(huán)形諧振腔進行快速、可靠和高分辨率光譜測量的最佳技術是使用連續(xù)可調激光器和一個或多個快速探測器。激光器需要覆蓋相關的工作波長范圍，同時提供低線寬和良好的光譜質量，以避免測量偽影。測試系統(tǒng)的檢測部分需要具有出色的線性度和足夠的動態(tài)范圍，這樣才能在一次測量中捕捉到設備的全部光譜對比度，而不會出現(xiàn)任何失真或不連續(xù)性。此外，整個系統(tǒng)還需要出色的波長精度和可重復性，以及高光譜分辨率，以便在幾秒鐘內以飛米級精度收集正確波長上的所有數(shù)據(jù)點。最后，通常還需要極化控制，以確保信號耦合到正確的傳輸模式。

  高分辨率進行高效快速光譜測試

  圖2 展示了一種光譜表征解決方案，其中器件測試平臺控制著激光器，并同步監(jiān)測測試設備的波長、輸入功率和輸出功率。這種系統(tǒng)已經(jīng)被證明可以捕獲回波損耗和偏振相關損耗的測量值，并提供了環(huán)形諧振腔測試所需的高質量光譜性能。

圖2. 掃頻激光法光譜表征儀器的示例，包括可調激光器(來自EXFO的T200S/T500S)和集成在器件測試平臺(來自EXFO的CTP10)中的一系列功率計。

圖3. 使用CTP10器件測試平臺測量的高Q值環(huán)形諧振腔的光譜響應，分辨率分別為1 pm(紅色)和20 fm(藍色)。器件由CEA-Leti提供。

圖3 展示了由CEA-Leti提供的一款Q值為600萬的環(huán)形諧振腔的測量結果。該圖顯示了在此案例中使用的測試解決方案的高分辨率模式所達到的精度水平。由于采用了 "即時"光學波長檢測，在每個調諧步驟中都能精確確定激光波長，避免了因激光速度變化等因素造成的測量誤差。配合快速、高動態(tài)范圍的光電探測器，系統(tǒng)能夠無失真或偽影地解析出共振的洛倫茲形狀。這樣的系統(tǒng)還提供高度可重復的測量，非常適合用于表征共振位置與其他環(huán)形諧振腔參數(shù)的關系，例如用于相移或熱控制的外加電壓。事實上，該系統(tǒng)的飛米級采集功能可以解析復雜的行為，如模式分裂效應--如圖4 所示，當環(huán)中的缺陷產(chǎn)生逆向傳播模式時，會出現(xiàn)兩個共振峰，而不是一個共振峰。

圖4. 以20 fm光譜分辨率測量的模式分裂光譜事件示例(與圖3 中的同一環(huán)形諧振腔)，使用CTP10組件測試平臺進行測量。設備由CEA-Leti提供。

  不斷提高的 Q 因子要求越來越高的光譜精度和分辨率，并盡量縮短測試時間。對于測試與測量工程師和研究人員來說，這是一個充滿挑戰(zhàn)但又令人興奮的時代。

  CTP10-無源光器件測試平臺

  主要特點：

  使用掃頻技術進行光學(IL、PDL、RL)和光電流表征

  業(yè)界首創(chuàng)的1260至1620 nm全波段PDL測量

  高分辨率的測量功能：最高可達20 fm(掃描速度為20 nm/s時)。

  觸發(fā)式記錄測量功能：增強了測量瞬態(tài)光學現(xiàn)象或通過外部觸發(fā)測量的能力。

  高分辨率的光譜測量使CTP10能夠在多種應用中發(fā)揮巨大作用，如掃頻干涉測量(SWI)、激光器光源的零差檢測和光頻域反射測量(OFDR)，提供從500 fm到20 fm的采樣分辨率，同時持續(xù)追蹤波長精準度、可重復性、光功率動態(tài)范圍和功率變化情況。借助CTP10器件測試平臺以及EXFO的連續(xù)可調諧掃頻激光器T200S和T500S，可以實現(xiàn)高分辨率的光譜測量。