石英波導(dǎo)環(huán)形諧振器研制

陳子維　陳抱雪　汪昌君　方錦輝

摘要：設(shè)計(jì)和試制了一種基于石英材料的開放式光波導(dǎo)環(huán)形諧振器，器件設(shè)計(jì)采用數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)合BPM仿真的手段。結(jié)合商用石英波導(dǎo)的常規(guī)參數(shù)，設(shè)計(jì)取環(huán)行波導(dǎo)的傳輸損耗和定向耦合器的耦合損耗分別為0.1 dB/cm和0.1 dB，諧振譜共振銳度的設(shè)計(jì)值為16.7。器件制備采用PECVD技術(shù)結(jié)合FHD技術(shù)的工藝，樣品測試采用了0.1 nm 帶寬的DFB激光，觀察到了明顯的諧振譜。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)波光學(xué)； 光波導(dǎo)環(huán)形諧振器； 石英波導(dǎo)； 諧振譜

中圖分類號(hào)： TN 252 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.013

Abstract：A kind of openmode optical waveguide ring resonator that based on quartz materials is designed and manufactured. The design is by means of numerical simulation combined with BPM simulation. Transmission loss of circular waveguide is 0.1 dB/cm and directional coupler coupling loss is 0.1 dB. The sharpness of the resonance spectrum is 16.7. The PECVD technology was used with FHD technique to manufacture the optical waveguide ring resonator. DFB laser of 0.1 nm bandwidth was used to test sample and the resonance spectrum could be observed easily.

Keywords： guidewave optics； optical waveguide ring resonator； quartz waveguide； resonance spectrum

引 言

光波導(dǎo)環(huán)形諧振器具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高等優(yōu)點(diǎn)[12]，在光信號(hào)處理、濾波、波分復(fù)用、波長調(diào)制等方面有廣泛應(yīng)用[34]。利用硅波導(dǎo)相對(duì)折射率增量較大的特點(diǎn)，可以制備小尺寸的微環(huán)諧振腔，但硅材料構(gòu)成的器件的抗環(huán)境干擾能力較差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性較困難[5]。本文采用了光學(xué)特性十分穩(wěn)定的石英波導(dǎo)材料，設(shè)計(jì)并試制了一種開放式波導(dǎo)環(huán)形諧振器，環(huán)形腔的半徑在10 mm左右。器件制備采用了等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積技術(shù)[6]結(jié)合火焰水解沉積技術(shù)[7]的方法，器件特性測試使用了中心波長為1 301.10 nm、帶寬±0.05 nm的DFB激光，譜線測量可以觀察到三個(gè)諧振譜。

1 器件原理和設(shè)計(jì)

開放式光波導(dǎo)環(huán)形諧振器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，一個(gè)單模環(huán)形波導(dǎo)與兩根單模直波導(dǎo)通過定向耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)模耦合，圖中L0是定向耦合結(jié)構(gòu)的等效耦合長度。

以振幅A0表征的直流輸入導(dǎo)模經(jīng)定向耦合結(jié)構(gòu)發(fā)生非對(duì)稱分流，交叉耦合進(jìn)入環(huán)形波導(dǎo)的導(dǎo)模光波環(huán)行一周后，與后續(xù)進(jìn)入的導(dǎo)模光波發(fā)生相干疊加，如此周而復(fù)始，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。該過程中，環(huán)行一周的相移滿足2π的整數(shù)倍的波長發(fā)生相干增強(qiáng)，形成環(huán)行共振，諧振光導(dǎo)模以振幅A2表征從另一根直波導(dǎo)輸出。其它波長的導(dǎo)模光以振幅A1表征從另一端輸出。

石英波導(dǎo)環(huán)形諧振器的體積遠(yuǎn)大于硅波導(dǎo)微環(huán)諧振器的體積，超過了目前商業(yè)化簡介時(shí)域有限差分方法（FDTD）仿真軟件的計(jì)算容量極限，器件設(shè)計(jì)采用數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)合光波導(dǎo)仿真軟件（BPM）仿真的手段。目前國內(nèi)比較成熟的石英光波導(dǎo)制造技術(shù)可以提供數(shù)微米量級(jí)波導(dǎo)芯尺寸以及Δ=0.5%左右的相對(duì)折射率增量，器件設(shè)計(jì)選用的波導(dǎo)芯截面尺寸是6.5 μm×6.5 μm，波導(dǎo)芯與包層的相對(duì)折射率增量Δ=0.45%。中心工作波長及其帶寬是λ0±Δλ=1 310 nm±0.05 nm。采用該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和參數(shù)制備的石英波導(dǎo)環(huán)形腔的傳輸損耗主要因波導(dǎo)彎曲引起，與環(huán)形腔的曲率半徑呈反比，曲率半徑為10 mm時(shí)，1 310 nm波長的傳輸損耗實(shí)測值在0.1 dB/cm以內(nèi)。BPM仿真運(yùn)行表明，在上述帶寬的工作波長下，該條波導(dǎo)支持單模傳輸，1 310 nm中心波長混合模的有效折射率N0=1.450 26。波導(dǎo)環(huán)形腔的曲率半徑R由下式確定：

式中：χ是環(huán)行波導(dǎo)與直波導(dǎo)之間構(gòu)成的定向耦合器的耦合系數(shù)；L0是定向耦合器的等效耦合長度；γ是定向耦合器的耦合損耗系數(shù)；ρ是環(huán)行波導(dǎo)的傳輸損耗系數(shù)；L是環(huán)行波導(dǎo)的周長。ρ根據(jù)常規(guī)石英波導(dǎo)的傳輸損耗來設(shè)定，這里取ρ=0.023 cm-1，與0.1 dB/cm的傳輸損耗對(duì)應(yīng)。因b≤1有利于提高諧振譜的共振銳度，設(shè)計(jì)取b=0.954，與定向耦合器9%的交叉耦合效率對(duì)應(yīng)。定向耦合器的設(shè)計(jì)采用了BPM仿真技術(shù)，等效的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過調(diào)節(jié)直波導(dǎo)與圓弧波導(dǎo)之間的間隔S得到期望的交叉耦合效率。表2是BPM仿真結(jié)果，取S=2.8 μm接近設(shè)計(jì)要求。與該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的定向耦合的耦合損耗約為0.035 dB，而實(shí)際波導(dǎo)構(gòu)成的定向耦合器的耦合損耗約為0.1 dB。

2 器件制備和測試結(jié)果

器件制備在石英光學(xué)玻璃基板上，該基板同時(shí)作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的下包層。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積（PECVD）技術(shù)在石英基板上生長6.5 μm厚的摻鍺SiO2薄膜，1 100 ℃/2 h真空退火消除薄膜中的殘留應(yīng)力，形成波導(dǎo)芯層，芯層與包層的相對(duì)折射率增量Δ=0.45%。采用常規(guī)光刻技術(shù)和反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)，選擇性刻蝕波導(dǎo)芯層，形成6.5 μm×6.5 μm芯截面的條波導(dǎo)光路。SiO2上包層采用火焰水解淀積（FHD）技術(shù)制備，厚度是20 μm，1 300 ℃/4 h真空熱處理實(shí)現(xiàn)FHD薄膜的玻璃化。器件兩端面用劃片機(jī)切割后，8°角研磨拋光。然后將波導(dǎo)器件的輸入/輸出端與單模光纖列陣耦合對(duì)接，對(duì)接在自動(dòng)調(diào)芯儀上完成，對(duì)接固化采用折射率匹配的紫外粘結(jié)劑，紫外輻照后粘結(jié)固化，形成帶尾纖的器件樣品。

器件的諧振特性測量使用了中國電子科技集團(tuán)四十四研究所出品的DFB激光器，探測使用了日本橫河公司AQ6370D光譜儀，譜線掃描的波長間隔是0.001nm。圖4為激光光源的譜分布，中心波長是1 301.10 nm，帶寬是±0.05 nm。圖5給出了器件諧振譜相對(duì)功率的測量結(jié)果，可以觀察到3根諧振譜線。但是在長波長一側(cè)看不到明顯的諧振譜，可能的原因是長波長的定向耦合系數(shù)變大，導(dǎo)致共振銳度F變小，諧振譜變得平坦。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)并試制了一種基于石英材料的光波導(dǎo)開放式環(huán)形諧振器，設(shè)計(jì)采用了數(shù)值仿真結(jié)合BPM軟件模擬的方法，計(jì)算了譜線的共振銳度。器件制備采用了等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積法和火焰水解沉積等技術(shù)，采用中心波長為1 301.10 nm、帶寬±0.05 nm的DFB激光器和光譜儀，測定了器件諧振譜相對(duì)功率，明顯觀察到3條諧振譜。

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（編輯：張 磊）