石英波導環形諧振器研制

陳子維　陳抱雪　汪昌君　方錦輝

摘要：設計和試制了一種基于石英材料的開放式光波導環形諧振器，器件設計采用數值仿真計算結合BPM仿真的手段。結合商用石英波導的常規參數，設計取環行波導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計值為16.7。器件制備采用PECVD技術結合FHD技術的工藝，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。

關鍵詞：導波光學； 光波導環形諧振器； 石英波導； 諧振譜

中圖分類號： TN 252 文獻標志碼： 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

光波導環形諧振器具有成本低、結構緊湊、集成度高等優點[12]，在光信號處理、濾波、波分復用、波長調制等方面有廣泛應用[34]。利用硅波導相對折射率增量較大的特點，可以制備小尺寸的微環諧振腔，但硅材料構成的器件的抗環境干擾能力較差，實現復雜環境下的穩定性較困難[5]。本文采用了光學特性十分穩定的石英波導材料，設計并試制了一種開放式波導環形諧振器，環形腔的半徑在10 mm左右。器件制備采用了等離子增強化學氣象沉積技術[6]結合火焰水解沉積技術[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諧振譜。

1 器件原理和設計

開放式光波導環形諧振器的基本結構如圖1所示，一個單模環形波導與兩根單模直波導通過定向耦合結構實現導模耦合，圖中L0是定向耦合結構的等效耦合長度。

以振幅A0表征的直流輸入導模經定向耦合結構發生非對稱分流，交叉耦合進入環形波導的導模光波環行一周后，與后續進入的導模光波發生相干疊加，如此周而復始，直至達到動態平衡。該過程中，環行一周的相移滿足2π的整數倍的波長發生相干增強，形成環行共振，諧振光導模以振幅A2表征從另一根直波導輸出。其它波長的導模光以振幅A1表征從另一端輸出。

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

式中：χ是環行波導與直波導之間構成的定向耦合器的耦合系數；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；ρ是環行波導的傳輸損耗系數；L是環行波導的周長。ρ根據常規石英波導的傳輸損耗來設定，這里取ρ=0.023 cm-1，與0.1 dB/cm的傳輸損耗對應。因b≤1有利于提高諧振譜的共振銳度，設計取b=0.954，與定向耦合器9%的交叉耦合效率對應。定向耦合器的設計采用了BPM仿真技術，等效的波導結構如圖2所示，通過調節直波導與圓弧波導之間的間隔S得到期望的交叉耦合效率。表2是BPM仿真結果，取S=2.8 μm接近設計要求。與該結構對應的定向耦合的耦合損耗約為0.035 dB，而實際波導構成的定向耦合器的耦合損耗約為0.1 dB。

2 器件制備和測試結果

器件制備在石英光學玻璃基板上，該基板同時作為波導結構的下包層。采用等離子體增強化學汽相淀積（PECVD）技術在石英基板上生長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力，形成波導芯層，芯層與包層的相對折射率增量Δ=0.45%。采用常規光刻技術和反應離子蝕刻技術，選擇性刻蝕波導芯層，形成6.5 μm×6.5 μm芯截面的條波導光路。SiO2上包層采用火焰水解淀積（FHD）技術制備，厚度是20 μm，1 300 ℃/4 h真空熱處理實現FHD薄膜的玻璃化。器件兩端面用劃片機切割后，8°角研磨拋光。然后將波導器件的輸入/輸出端與單模光纖列陣耦合對接，對接在自動調芯儀上完成，對接固化采用折射率匹配的紫外粘結劑，紫外輻照后粘結固化，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功率的測量結果，可以觀察到3根諧振譜線。但是在長波長一側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變大，導致共振銳度F變小，諧振譜變得平坦。

3 結 論

設計并試制了一種基于石英材料的光波導開放式環形諧振器，設計采用了數值仿真結合BPM軟件模擬的方法，計算了譜線的共振銳度。器件制備采用了等離子增強化學氣象沉積法和火焰水解沉積等技術，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功率，明顯觀察到3條諧振譜。

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（編輯：張 磊）