應(yīng)用分享丨以亞皮米級(jí)光譜分辨率測(cè)試PIC中的微環(huán)諧振腔

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

  在集成光子學(xué)領(lǐng)域，微環(huán)諧振腔發(fā)揮了關(guān)鍵作用，是推動(dòng)該技術(shù)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(cè)器，還可以在基于光子集成電路的窄線寬可調(diào)激光器中作為波長(zhǎng)濾波器使用。此外，它還可以作為緊湊且超低電壓的光學(xué)調(diào)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(jié)構(gòu)由一個(gè)環(huán)狀波導(dǎo)和一個(gè)或多個(gè)線性波導(dǎo)組成，這些波導(dǎo)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(xué)諧振腔。品質(zhì)因數(shù)(或Q值)是衡量器件干涉效率的一個(gè)重要指標(biāo)——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(guān)。隨著低損耗結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)百萬的Q值。鑒定這類無源光器件的光譜響應(yīng)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(cè)量不僅需要高精度和高準(zhǔn)確度，還需要在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試，因?yàn)橐粋€(gè)集成光子學(xué)晶片上就有數(shù)千個(gè)這樣的元件。本文詳細(xì)介紹了測(cè)量這些微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)所面臨的主要挑戰(zhàn)，并深入探討了如何實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)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(cè)量案例，為我們展示了一種高效表征PICs中這些關(guān)鍵器件的方法，為未來的研究和應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的間隔重復(fù)出現(xiàn)。這種特性的高對(duì)比度對(duì)環(huán)的物理和光學(xué)特性以及與附近線性波導(dǎo)的相互作用密切相關(guān)。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(diào)制器、濾波器或傳感器等應(yīng)用中的重要組件。這樣的Q值大致轉(zhuǎn)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(shí)，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(guān)鍵的參數(shù)，通過分析這些參數(shù)信息，可以評(píng)估環(huán)形諧振腔是否適合特定應(yīng)用。然而，要獲取這些高對(duì)比度特性的光譜信息卻是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，我們需要可靠地讀取波長(zhǎng)和光功率信息。因此，測(cè)試儀器需要飛米級(jí)的光譜分辨率，還需要能夠處理10 dB/pm的功率波動(dòng)。對(duì)環(huán)形諧振腔進(jìn)行快速、可靠和高分辨率光譜測(cè)量的最佳技術(shù)是使用連續(xù)可調(diào)激光器和一個(gè)或多個(gè)快速探測(cè)器。激光器需要覆蓋相關(guān)的工作波長(zhǎng)范圍，同時(shí)提供低線寬和良好的光譜質(zhì)量，以避免測(cè)量偽影。測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)部分需要具有出色的線性度和足夠的動(dòng)態(tài)范圍，這樣才能在一次測(cè)量中捕捉到設(shè)備的全部光譜對(duì)比度，而不會(huì)出現(xiàn)任何失真或不連續(xù)性。此外，整個(gè)系統(tǒng)還需要出色的波長(zhǎng)精度和可重復(fù)性，以及高光譜分辨率，以便在幾秒鐘內(nèi)以飛米級(jí)精度收集正確波長(zhǎng)上的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。最后，通常還需要極化控制，以確保信號(hào)耦合到正確的傳輸模式。

  高分辨率進(jìn)行高效快速光譜測(cè)試

  圖2 展示了一種光譜表征解決方案，其中器件測(cè)試平臺(tái)控制著激光器，并同步監(jiān)測(cè)測(cè)試設(shè)備的波長(zhǎng)、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(guān)損耗的測(cè)量值，并提供了環(huán)形諧振腔測(cè)試所需的高質(zhì)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(diào)激光器(來自EXFO的T200S/T500S)和集成在器件測(cè)試平臺(tái)(來自EXFO的CTP10)中的一系列功率計(jì)。

圖3. 使用CTP10器件測(cè)試平臺(tái)測(cè)量的高Q值環(huán)形諧振腔的光譜響應(yīng)，分辨率分別為1 pm(紅色)和20 fm(藍(lán)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(cè)量結(jié)果。該圖顯示了在此案例中使用的測(cè)試解決方案的高分辨率模式所達(dá)到的精度水平。由于采用了 "即時(shí)"光學(xué)波長(zhǎng)檢測(cè)，在每個(gè)調(diào)諧步驟中都能精確確定激光波長(zhǎng)，避免了因激光速度變化等因素造成的測(cè)量誤差。配合快速、高動(dòng)態(tài)范圍的光電探測(cè)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(fù)的測(cè)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(guān)系，例如用于相移或熱控制的外加電壓。事實(shí)上，該系統(tǒng)的飛米級(jí)采集功能可以解析復(fù)雜的行為，如模式分裂效應(yīng)--如圖4 所示，當(dāng)環(huán)中的缺陷產(chǎn)生逆向傳播模式時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)共振峰，而不是一個(gè)共振峰。

圖4. 以20 fm光譜分辨率測(cè)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(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量。設(shè)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(cè)試時(shí)間。對(duì)于測(cè)試與測(cè)量工程師和研究人員來說，這是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)但又令人興奮的時(shí)代。

  CTP10-無源光器件測(cè)試平臺(tái)

  主要特點(diǎn)：

  使用掃頻技術(shù)進(jìn)行光學(xué)(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(cè)量

  高分辨率的測(cè)量功能：最高可達(dá)20 fm(掃描速度為20 nm/s時(shí))。

  觸發(fā)式記錄測(cè)量功能：增強(qiáng)了測(cè)量瞬態(tài)光學(xué)現(xiàn)象或通過外部觸發(fā)測(cè)量的能力。

  高分辨率的光譜測(cè)量使CTP10能夠在多種應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用，如掃頻干涉測(cè)量(SWI)、激光器光源的零差檢測(cè)和光頻域反射測(cè)量(OFDR)，提供從500 fm到20 fm的采樣分辨率，同時(shí)持續(xù)追蹤波長(zhǎng)精準(zhǔn)度、可重復(fù)性、光功率動(dòng)態(tài)范圍和功率變化情況。借助CTP10器件測(cè)試平臺(tái)以及EXFO的連續(xù)可調(diào)諧掃頻激光器T200S和T500S，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的光譜測(cè)量。