級聯環形諧振腔溫漂抑制效應實驗研究*

張　偉，唐　軍，劉麗雙*

（1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

級聯環形諧振腔溫漂抑制效應實驗研究*

張偉1，2，唐軍1，2，劉麗雙1，2*

（1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

為降低溫度變化對基于微環諧振腔的濾波器、調制器等光學精密器件性能的影響，研究了微環諧振腔的溫度特性，設計加工了基于絕緣體上硅的單環以及多環微腔結構。通過數顯溫控加熱系統對微環諧振腔加熱，利用波長掃描的方式，進行了諧振腔透射譜線的測試實驗，通過線性擬合分析，計算得到單環諧振腔諧振波長漂移與溫度的變化關系為105 pm/℃，雙環諧振器與溫度的變化關系為97 pm/℃，三環諧振器與溫度的變化關系為80 pm/℃，九環的諧振波長漂移與溫度的變化關系為27 pm/℃。即環個數增加，諧振腔溫度系數有減弱趨勢，較好實現了諧振腔溫漂抑制作用。

溫度系數；絕緣體上硅；微環諧振腔；垂直光柵耦合

光學微環諧振腔作為集成光學中一個非常重要的元件，具有諧振原理簡單，器件尺寸極小，容易與其他光電子元器件進行光學集成等優點，廣泛應用于全光開關、光調制器、光濾波器、超低閾值激光器、生物監測等領域［1-7］。微環諧振腔的諧振波長主要由諧振腔的尺寸和有效折射率決定。諧振腔尺寸和折射率的微小變化就可導致諧振波長明顯的變化。由于諧振腔材料屬性很容易受到熱膨脹的影響，當外界溫度變化時會造成材料發生熱膨脹，而材料的熱膨脹和熱光效應分別影響諧振腔尺寸和折射率的變化，會導致諧振波長變化［8］，最終影響諧振腔應用到濾波器、調制器等領域中的性能。

目前，微環諧振腔溫度補償的研究已經成為了國內外研究熱點。加拿大國家研究委員會顯微結構科學研究所Xu D X等人［9］提出采用涂覆SU-8或SiO2層的微環諧振腔陣列用于在非恒溫環境下溶液濃度監測，由于涂覆層材料熱光系數較小，可以顯著減小諧振腔結構有效折射率，該方法可實現長達3 h的溶液濃度精確監測，溫度漂移僅為62.1 pm/℃，有效的減小了溫度變化帶來的影響。哥倫比亞大學Sahba等人［10］設計了超薄的90 nm厚的SOI基波導諧振腔結構，應用于生物分子濃度監測中可以將溫度漂移量減小到49 pm/K。此外，一些研究機構采用新型聚合物材料如聚酰亞胺和硅樹脂等代替硅制造波導諧振腔，利用聚合物材料具有負的熱光系數的特性，使測試輸出光譜產生微弱的藍移，有效的將溫度漂移影響控制在要求范圍之內［11］。

綜上所述，國內外現有研究大多采用聚合物替代傳統硅基波導，或在波導諧振腔上涂覆聚合物層，其實質都是通過調控諧振腔的熱光系數改變有效折射率，從而有效的控制溫度漂移。然而，這些方法都嚴重依賴于聚合物材料的物理性質，尤其在光傳輸、耦合方面難以媲美硅基光波導所具有的完美特性，受到極大的應用局限性。本文設計加工了基于絕緣體上硅材料環形微腔結構，研究了光學級聯環形微腔諧振波長和一定范圍內溫度的關系，通過實驗測試，隨著微環個數增加，諧振腔表現出較好的溫度抑制特性。

1　實驗

1.1微環制備工藝

通過給絕緣體上硅基片涂覆聚甲基丙烯酸甲酯PMMA4光刻膠［12］、分別經過兩次電子束光刻、顯影、定影、深硅刻蝕等工藝相繼得到波導結構和光柵。制備光波導使用的SOI基片大小為15mm×15mm，頂層硅的厚度為220 nm，中間層二氧化硅厚度為3 μm，襯底硅厚度為675 μm。流片工藝中采用的電子束光刻機是直寫式JBX5500ZA，工作時選取矢量掃描方式，電子束曝光無需掩膜，可實現低至10 nm的線寬圖形。在做好標記的SOI基片上，經過兩次電子束光刻、兩次深硅刻蝕首先做出波導結構進而在波導的輸入和輸出端上刻出光柵以進行光的耦合。工藝中，波導結構刻蝕深度為220 nm，光柵刻蝕深度為90 nm～110 nm，波導寬度為500 nm，與直波導耦合的微環半徑為20 μm，微環與波導以及兩環間耦合的間隙為100 nm，光柵的周期為600 nm，占空比約為1∶1。圖1是冷場發射掃描電子顯微鏡S-4800及共聚焦顯微鏡下的多環結構圖。

圖1　多環結構圖

1.2實驗測試平臺系統

實驗中采用垂直光柵耦合方式測試諧振腔透射譜線，如圖2所示。首先激光器產生1 520 nm～1 570 nm的紅外光經過光纖傳輸到波導的輸入端，光纖采用單模透鏡光纖，末端呈75°錐形與波導輸入端的光柵進行耦合，耦合時入射角傾斜10°左右。將溫控加熱片固定到三維高精度隔震調節臺上，然后將SOI片放置于加熱片中間，通過觀察紅外光CCD和長焦距CCD微調三維高精度隔震調節臺對單模透鏡光纖位置及高度進行微調以使耦合效率達到最大值。通過波導輸入端光柵耦合進入波導的光經波導與微環的耦合在微環中產生諧振，產生的透射光譜會在輸出端再次通過光柵耦合出來，然后通過光電探測器轉換為電信號最后在示波器上顯示輸出譜線，實驗測試系統如圖3所示。

圖2　CCD下垂直光柵耦合圖

圖3　實驗測試系統示意圖

測試中所使用的激光器為New Focus TLB-6728-P，其波長覆蓋范圍為1520 nm～1570 nm，線寬低于200 kHz。給數顯溫控器分別設置為20℃（實驗室常溫為20℃）、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃，為了保證微環諧振腔可以達到所設定的溫度值，每次待設定溫度恒定5 min后，激光器由1 520 nm開始以0.1 nm/s的速度進行線性掃描，隨即微環諧振腔會在特定波長處發生諧振，輸出的透射光譜經過一個低噪光電探測器New Focus 1811轉換后在示波器中顯示輸出譜線。

2　結果分析討論

實驗中分別測試了單環、雙環、三環以及九環級聯諧振腔在不同溫度下的諧振譜線，如圖4所示。

根據微環的諧振條件

式中λm是微環的諧振波長，q是對應諧振波長λm在微環中穩定存在時的諧振級數，R是微環半徑，neff是微環的有效折射率。由式知，對于同一級次的諧振波長，q相同，波長漂移量由微環的有效折射率以及微環半徑決定，諧振波長移動與微環的有效折射率和半徑的變化之間的關系［13-15］為

圖4　不同溫度下的透射譜線

由于Si材料的熱膨脹系數為10-6量級，100℃以內的溫度變化對結構的幾何參數影響很小，可以忽略。又因為

所以有

令

即有

k就是諧振腔的溫度敏感系數。

對測試結果進行線性擬合分析，諧振腔譜線漂移與溫度變化關系如圖5所示。

從測試結果中可以看出，隨著溫度的升高，諧振譜線呈紅移趨勢，這與理論分析相符合，熱光效應導致產生了諧振波長的紅移。通過計算分析得到在20℃～65℃范圍內，單環的諧振波長漂移與溫度變化的關系為k=105 pm/℃，雙環的諧振波長漂移與溫度的變化關系為k=97 pm/℃，三環的諧振波長漂移與溫度的變化關系為k=80 pm/℃，九環的諧振波長漂移與溫度的變化關系為k=29 pm/℃。通過實驗結果可知，隨著環個數增加，諧振腔對溫漂的變化起到了抑制作用。

圖5　諧振波長與溫度的關系

3　結論

基于絕緣體上硅結構設計加工了單環以及多環微腔結構，并對微腔進行了諧振譜線的測試，通過理論分析以及線性擬合，計算得單環的諧振波長漂移與溫度的變化關系為105 pm/℃，雙環的諧振波長漂移與溫度的變化關系為97 pm/℃，三環的諧振波長漂移與溫度的變化關系為80 pm/℃，九環的諧振波長漂移與溫度的變化關系為k=29 pm/℃。即環個數增加，諧振腔溫度系數有減小趨勢，對微環諧振腔作為生物監測廣泛應用具有重大意義，為微環諧振腔在抑制溫漂方面的研究提供了思路。

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張偉（1990-），男，山西呂梁人，中北大學研究生，主要從事光纖傳感及光學諧振腔方面的研究，zbdxzhangwei@163.com；

唐軍（1981-），男，四川人，中北大學副教授，主要研究納米材料、微/納電子機械系統和微慣性技術方面的研究，tangjun16@126.com。

Temperature Drift Inhibition Effect of Cascade Ring Cavity*

ZHANG Wei1，2，TANG Jun1，2，LIU Lishuang1，2*
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

To reduce the influence of the temperature change of filter based on micro ring resonator，study temperature properties of micro-ring resonator，the simple ring and cascaded rings resonators based on silicon-on-insulator was designed and fabricated.The micro-ring resonators were heated by temperature controller and the transmission spectrum shift was observed via the vertical grating coupling method and the wavelength scanning way.From the theoretical analysis，experimental test and linear simulation，it has been concluded that the temperature coefficient is 105 pm/℃，97 pm/℃and 80 pm/℃，27 pm/℃in simple ring，double rings，triple rings and nine rings，respectively.In a word，the sensitivity to temperature is decreased and the temperature drift is inhibited with the increase of the number of rings.

temperature coefficient；silicon-on-insulator；micro-ring resonator；vertical grating coupling

O433；7230M

A

1004-1699（2016）08-1165-04

EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.08.007

項目來源：國家自然科學基金杰出青年基金（51225504）；國家自然科學基金重點支持項目（91123036）

2015-12-08修改日期：2016-04-01