【光电集成】光频域反射表征微环谐振器

今日光电 2024-06-18 18:01

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今日光电

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绪

言

针对目前集成电路和光学器件向微型化,集成化的发展趋势,以及构建大规模光电一体化集成系统的现实需求,基于SOI(Silicon On Insulator)的微环谐振腔（MRRs）由于其高集成度,与CMOS工艺兼容等优点,迅速成为了热点研究课题,并在高灵敏度传感器,全光网络,光陀螺,光开关等领域显示出了巨大的应用潜力。

本文以2021年发表在Optics Letters上的一篇期刊文章来讲述使用OFDR技术（光频域反射）表征片上微环谐振器相关性能参数，并由此提出一种谐振模本征q因子的计算模型。

内

容

MRR器件的一个关键参数是它们的质量因子（Q值），这直接反映了它们以特定频率存储光子的能力。MRR的负载Q因子（Qload）可以由两个因素决定：内部Q值和耦合Q值。在高Q器件的传统测量方法中，可调谐激光器的光耦合到微环谐振器中，然后由光电探测器检测所传输的信号。最终在测得的透射谱上，根据谐振峰归一化传输功率计算。然而，透射光可能会受到偏振旋转、模式分离或其他光扰动影响，因此，Q值计算的准确性也会受到影响。

使用洛伦兹拟合后的透射谐振谱（计算得到的3个微环Q值）

对比于传统的透射谱拟合并用归一化功率计算，作者采用另一种全新的方法（OFDR）来测量并评估微环性能。使用昊衡科技的OCI——1500作测试设备，对待测样品进行扫描测试。

a）微环半径r=1.6 mm的MRR样品的光学显微镜图像

b）微环与直波导耦合部分的近距离视图

使用OCI——1500得到测试结果

从数据结果上可以看到，在0.291m处有两个反射峰值，分别对应微环入口处边缘耦合的两个面，距离1cm。微环波导总的损耗长度超过4米，其回波信号检测灵敏度达到-130dB。

a）用传统方法测量的共振的透射谱

b）用OFDR方法测量的共振波的频率响应

c）b图中虚线框内单个共振峰的距离——反射信号。x轴上的“0”位置表示MRR的起始位置

由图（c）中OFDR测量得到的传输损耗拟合曲线得到αOFDR=-7.66±0.27 dB/m。根据公式：

其中λ0为中心波长，ng是微环相对折射率。最终计算得出Qload =（3.42±0.12）x10⁶。

最后，对3种不同耦合间隙的微环分别进行测试并拟合，然后根据前文的Q值计算公式，分别对3种情况作计算，得到结果如下表：

从表中数据可以清楚看到，使用OFDR技术对微环谐振器进行测量，并使用Q值参量表征性能是非常准确的。

结

论

利用光频域反射系统表征微环器件，可以准确获得光在微环中的距离域传播曲线，通过谱线分析，快速提取微环的频率响应和传播损耗特征。该技术还可以推广到其他各类光学微腔的表征实验中，特别是超高Q值微腔的表征。理论上Q值越高，OCI系统距离域的采集点越多，测量会更容易和准确。而随着微环微腔类器件使用越来越广泛，OFDR测量系统将有广阔应用前景。

来源：大话光纤传感