基于OCI系統(tǒng)的片上微環(huán)器件表征

  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(zhǎng)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。

  首先，我們將OCI1500系統(tǒng)接入微環(huán)器件，設(shè)置掃描的波長(zhǎng)范圍與微環(huán)的工作波長(zhǎng)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(zhǎng)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。可以看出，雖然微環(huán)腔的環(huán)波導(dǎo)周長(zhǎng)不到1cm，整個(gè)芯片從頭至尾的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。