光電子學與激光技術

基于熱非線性效應的硅基串聯雙微環諧振腔全光開關

劉毅，王文睿，郭精忠，等

摘要：目的：易于集成、高消光比是目前全光開關的研究目標。基于硅基微環諧振腔的光開關是研究的熱點，但由于加工工藝的局限性，臨界耦合和損耗受到了制約。本文采用硅基雙微環串聯諧振腔，研究同諧振波長處的陷波深度，并用面內雙光注入法實現高消光比全光開關，為高集成化、高性能光路由和光調制器提供可行的方案。方法：（1）串聯雙環諧振腔結構；實驗采用10 μm半徑串聯雙微環諧振腔，微環與直波導耦合的空氣隙及雙環間空氣間隙都為100 nm。在直波導的每一個末端，采用離面耦合系統，光柵周期為590 nm，耦合時，將光纖與垂直方向成9.5°放置，橫向與縱向的調節誤差為±1 μm，纖對纖的插入損耗大約為20 dB。（2）諧振腔基本特性；采用雙端口網絡的傳輸矩陣法進行分析，在同等條件下，雙環諧振腔與單環諧振腔相比多出系數(1-t)2，t為傳輸系數，可知前者可以有效改善全光開關消光比。（3）熱非線性效應雙光注入全光開關原理；采用面內雙光注入技術，將探測光置于第一個諧振波長處，控制光置于相鄰諧振波長右側，當控制光注入功率為低電平時，諧振譜沒有變化，探測光為“0”，處于“關”狀態；當控制光注入功率為高電平時，由于熱非線性效應，諧振譜發生紅移，探測光遠離諧振波長，此時為高電平，處于“開”狀態。結果：（1）串聯雙環諧振腔特性；用面內單光注入實驗方案，對諧振譜進行測試，得到3個諧振波長對應的諧振譜。串聯雙微環的前兩個諧振波長一致，陷波深度明顯比第3個諧振波長深，1540.4 nm諧振波長有27 dB陷波深度，1548.46 nm諧振波長有 27 dB陷波深度，0.3 nm間隔雙峰的1556.52 nm諧振波長有10 dB陷波深度，諧振腔自由頻譜寬為8.16 nm，得出耦合系數為0.201，損耗系數為5.8 dB/cm。（2）熱非線性系數；同樣利用面內單光注入技術，研究了1540.4 nm諧振波長的熱非線性效應，在注入功率范圍為-9.7～2.2 dBm的11個值內，測得了20.2 dB的消光比和136 pm/mW熱非線性系數。（3）全光開關；為了進一步研究串聯雙微環全光開關的特性，搭建基于硅基串聯雙微環諧振腔熱非線性效應的面內雙光注入全光開關實驗裝置，一路為控制光，為了保證足夠的抽運光進入諧振腔中，取大于諧振波長1548.46 nm的1548.57 nm，另一路為探測光，置于諧振波長1540.4 nm處，同時加入調制頻率為100 kHz的方波測試開關時間，測得開關上升、下降時間分別為2.84 μs和3.04 μs，與理論值微秒量級吻合，此即為全光開關時間。結論：采用半徑相同的（10 μm）、陷波深度為27 dB的硅基串聯雙微環諧振腔，通過離面耦合方式，在面內單光注入時，測得最大消光比高達20.2 dB，并測試熱非線性效應引起的紅移量為136.4 pm/mW。采用面內雙光注入方式，測試得到上升、下降時間分別為2.84 μs 和 3.04 μs。

來源出版物：中國激光, 2013, 40(2): 0205006

入選年份：2017