陈子维 陈抱雪 汪昌君 方锦辉
摘要：设计和试制了一种基于石英材料的开放式光波导环形谐振器，器件设计采用数值仿真计算结合BPM仿真的手段。结合商用石英波导的常规参数，设计取环行波导的传输损耗和定向耦合器的耦合损耗分别为0.1 dB/cm和0.1 dB，谐振谱共振锐度的设计值为16.7。器件制备采用PECVD技术结合FHD技术的工艺，样品测试采用了0.1 nm 带宽的DFB激光，观察到了明显的谐振谱。
关键词：导波光学； 光波导环形谐振器； 石英波导； 谐振谱
中图分类号： TN 252 文献标志码： 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
光波导环形谐振器具有成本低、结构紧凑、集成度高等优点[12]，在光信号处理、滤波、波分复用、波长调制等方面有广泛应用[34]。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。
1 器件原理和设计
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。
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：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。
2 器件制备和测试结果
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。
3 结 论
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。
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（编辑：张 磊）
