光波导环形谐振器具有成本低、结构紧凑、集成度高等优点^{[1, 2]},在光信号处理、滤波、波分复用、波长调制等方面有广泛应用^{[3, 4]}。利用硅波导相对折射率增量较大的特点,可以制备小尺寸的微环谐振腔,但硅材料构成的器件的抗环境干扰能力较差,实现复杂环境下的稳定性较困难^[5]。本文采用了光学特性十分稳定的石英波导材料,设计并试制了一种开放式波导环形谐振器,环形腔的半径在10 mm左右。器件制备采用了等离子增强化学气象沉积技术^[6]结合火焰水解沉积技术^[7]的方法,器件特性测试使用了中心波长为1 301.10 nm、带宽±0.05 nm的DFB激光,谱线测量可以观察到三个谐振谱。

开放式光波导环形谐振器的基本结构如图 1所示,一个单模环形波导与两根单模直波导通过定向耦合结构实现导模耦合,图中L₀是定向耦合结构的等效耦合长度。以振幅A₀表征的直流输入导模经定向耦合结构发生非对称分流,交叉耦合进入环形波导的导模光波环行一周后,与后续进入的导模光波发生相干叠加,如此周而复始,直至达到动态平衡。该过程中,环行一周的相移满足2π的整数倍的波长发生相干增强,形成环行共振,谐振光导模以振幅A₂表征从另一根直波导输出。其它波长的导模光以振幅A₁表征从另一端输出。

图 1

Fig. 1

图 1 开放式光波导环形谐振器基本结构 Fig. 1 The basic structure of the waveguide resonator

石英波导环形谐振器的体积远大于硅波导微环谐振器的体积,超过了目前商业化简介时域有限差分方法(FDTD)仿真软件的计算容量极限,器件设计采用数值仿真计算结合光波导仿真软件(BPM)仿真的手段。目前国内比较成熟的石英光波导制造技术可以提供数微米量级波导芯尺寸以及Δ=0.5%左右的相对折射率增量,器件设计选用的波导芯截面尺寸是6.5 μm×6.5 μm,波导芯与包层的相对折射率增量Δ=0.45%。中心工作波长及其带宽是λ₀±Δλ=1 310 nm±0.05 nm。采用该波导结构和参数制备的石英波导环形腔的传输损耗主要因波导弯曲引起,与环形腔的曲率半径呈反比,曲率半径为10 mm时,1 310 nm波长的传输损耗实测值在0.1 dB/cm以内。BPM仿真运行表明,在上述带宽的工作波长下,该条波导支持单模传输,1 310 nm中心波长混合模的有效折射率N₀=1.450 26。波导环形腔的曲率半径R由下式确定:

式中:m₀是中心波长的干涉级数;C是真空中的光速;f₀是中心波长对应的光频。设计取m₀=69 560,得到R=10.000 14 mm。环形腔的谐振谱满足相移共振条件:

式中:φ_i是光频为f_i的谐振波环行一周的相移;N_i是谐振波导模的有效折射率;m_i是谐振波的干涉级数。在选定的波长带宽内,满足相移共振条件的有5个谱线,列于表 1。

表 1Table 1)

表 1 共振谱线 Tab. 1 Resonance spectrum 序号 λ/nm f /GHz m 1 1 309.962 229 014.134 4 69 562 2 1 309.981 229 010.887 9 69 561 3 1 310.000 229 007.633 6 69 560 4 1 310.019 229 004.384 8 69 559 5 1 310.037 229 001.134 4 69 558

表 1 共振谱线 Tab. 1 Resonance spectrum

该开环谐振器的交叉传递函数为:

式中:χ是环行波导与直波导之间构成的定向耦合器的耦合系数;L₀是定向耦合器的等效耦合长度;γ是定向耦合器的耦合损耗系数;ρ是环行波导的传输损耗系数;L是环行波导的周长。ρ根据常规石英波导的传输损耗来设定,这里取ρ=0.023 cm^-1,与0.1 dB/cm的传输损耗对应。因b≤1有利于提高谐振谱的共振锐度,设计取b=0.954,与定向耦合器9%的交叉耦合效率对应。定向耦合器的设计采用了BPM仿真技术,等效的波导结构如图 2所示,通过调节直波导与圆弧波导之间的间隔S得到期望的交叉耦合效率。表 2是BPM仿真结果,取S=2.8 μm接近设计要求。与该结构对应的定向耦合的耦合损耗约为0.035 dB,而实际波导构成的定向耦合器的耦合损耗约为0.1 dB。

图 2

Fig. 2

图 2 BPM仿真用等效波导结构 Fig. 2 The structrue in optive BPM

表 2Table 2)

表 2 BPM仿真结果 Tab. 2 The simulation results in BPM R/ μm S/ μm Pout1/mW Pout2/mW 交叉耦合效率 10 000.14 2.70 0.889 69 562 10.2% 10 000.14 2.80 0.902 69 561 9.1% 10 000.14 2.90 0.909 69 560 8.4%

表 2 BPM仿真结果 Tab. 2 The simulation results in BPM

与此对应,设计取γ=0.023。采用上述参数,根据交叉传递函数计算得到的5个谐振谱线如图 3所示,谱线的共振锐度F(Finesse)由式(4)定义,计算得到F=16.7。

图 3

Fig. 3

图 3 谐振谱线计算值 Fig. 3 Resonance line calculated

器件制备在石英光学玻璃基板上,该基板同时作为波导结构的下包层。采用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)技术在石英基板上生长6.5 μm厚的掺锗SiO₂薄膜,1 100 ℃/2 h真空退火消除薄膜中的残留应力,形成波导芯层,芯层与包层的相对折射率增量Δ=0.45%。采用常规光刻技术和反应离子蚀刻技术,选择性刻蚀波导芯层,形成6.5 μm×6.5 μm芯截面的条波导光路。SiO₂上包层采用火焰水解淀积(FHD)技术制备,厚度是20 μm,1 300 ℃/4 h真空热处理实现FHD薄膜的玻璃化。器件两端面用划片机切割后,8°角研磨抛光。然后将波导器件的输入/输出端与单模光纤列阵耦合对接,对接在自动调芯仪上完成,对接固化采用折射率匹配的紫外粘结剂,紫外辐照后粘结固化,形成带尾纤的器件样品。

器件的谐振特性测量使用了中国电子科技集团四十四研究所出品的DFB激光器,探测使用了日本横河公司AQ6370D光谱仪,谱线扫描的波长间隔是0.001nm。图 4为激光光源的谱分布,中心波长是1 301.10 nm,带宽是±0.05 nm。图 5给出了器件谐振谱相对功率的测量结果,可以观察到3根谐振谱线。但是在长波长一侧看不到明显的谐振谱,可能的原因是长波长的定向耦合系数变大,导致共振锐度F变小,谐振谱变得平坦。

图 4

Fig. 4

图 4 激光光源的谱分布 Fig. 4 Source spectral distribution

图 5

Fig. 5

图 5 器件谐振谱实测结果 Fig. 5 The true result for test

设计并试制了一种基于石英材料的光波导开放式环形谐振器,设计采用了数值仿真结合BPM软件模拟的方法,计算了谱线的共振锐度。器件制备采用了等离子增强化学气象沉积法和火焰水解沉积等技术,采用中心波长为1 301.10 nm、带宽±0.05 nm的DFB激光器和光谱仪,测定了器件谐振谱相对功率,明显观察到3条谐振谱。