石英波導環(huán)形諧振器研制

1、石英波導環(huán)形諧振器研制：A kind of openmodeoptical 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 d

2、B. 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 wav

3、eguide ring resonator ； quartz waveguide ； resonance spectrum引言 光波導環(huán)形諧振器具有成本低、 結(jié)構(gòu)緊湊、 集成度高等優(yōu)點 12 ，在光信號處理、濾波、波分復用、波長調(diào)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(huán)諧振腔，但硅材料構(gòu)成的器件的抗環(huán)境干擾能力較 差，實現(xiàn)復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性較困難 5 。本文采用了光學特性 十分穩(wěn)定的石英波導材料， 設(shè)計并試制了一種開放式波導環(huán)形諧 振器，環(huán)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(shù) 6 結(jié)合火焰水解沉積技術(shù) 7 的方

4、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(shè)計開放式光波導環(huán)形諧振器的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，一個單模 環(huán)形波導與兩根單模直波導通過定向耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)導模耦合， 圖 中 L0 是定向耦合結(jié)構(gòu)的等效耦合長度。以振幅 A0 表征的直流輸入導模經(jīng)定向耦合結(jié)構(gòu)發(fā)生非對稱 分流，交叉耦合進入環(huán)形波導的導模光波環(huán)行一周后， 與后續(xù)進 入的導模光波發(fā)生相干疊加， 如此周而復始， 直至達到動態(tài)平衡。 該過程中，環(huán)行一周的相移滿足2 n的整數(shù)倍的波長發(fā)生相干增 強，形成環(huán)行共振，諧振光導模以振幅A2表征從另一根

5、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(huán)形諧振器的體積遠大于硅波導微環(huán)諧振器的體 積，超過了目前商業(yè)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(shè)計采用數(shù)值仿真計算結(jié)合光波導仿真軟 件（BPM仿真的手段。目前國內(nèi)比較成熟的石英光波導制造技 術(shù)可以提供數(shù)微米量級波導芯尺寸以及 =0.5%左右的相對折射率增量，器件設(shè)計選用的波導芯截面尺寸是6.5卩mK 6.5卩m,波導芯與包層的相對折射率增量 =0.45%。中心工作波長及其帶寬是 入0 入=1 310 nm 土 0.05 nm。采用該波導結(jié)構(gòu)和參數(shù) 制備的石英波導環(huán)形腔的傳輸損耗主要因波導彎曲引起，

6、與環(huán)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(nèi)。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(huán)形腔的曲率半徑 R 由下式確定：式中：x是環(huán)行波導與直波導之間構(gòu)成的定向耦合器的耦 合系數(shù)；L0是定向耦合器的等效耦合長度；丫是定向耦合器的耦合損耗系數(shù)；p是環(huán)行波導的傳輸損耗系數(shù)；L是環(huán)行波導的 周長。p根據(jù)常規(guī)石英波導的傳輸損耗來設(shè)定，這里取p =0.023 cm-1，與0.1 dB/cm的傳輸損耗對應。因b1有利于提高諧振 譜的共振

7、銳度，設(shè)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(shè)計采用了 BPM仿真技術(shù)，等效的波導結(jié) 構(gòu)如圖2所示，通過調(diào)節(jié)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(jié)果，取S=2.8卩m接近設(shè) 計要求。與該結(jié)構(gòu)對應的定向耦合的耦合損耗約為 0.035 dB ， 而實際波導構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu) 的下包層。采用等離子體增強化學汽相淀積（PECVD技術(shù)在石英基板上生長6.5卩m厚的摻鍺SiO2薄膜，1 100 C/2 h真空 退火消除薄膜中的殘留應

8、力， 形成波導芯層， 芯層與包層的相對 折射率增量 =0.45%。采用常規(guī)光刻技術(shù)和反應離子蝕刻技術(shù)，選擇性刻蝕波導芯層，形成 6.5卩mnK 6.5卩m芯截面的條波導 光路。SiO2上包層采用火焰水解淀積（FHD技術(shù)制備，厚度是 20卩m，1 300 C/4 h真空熱處理實現(xiàn)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(diào)芯儀上完 成，對接固化采用折射率匹配的紫外粘結(jié)劑， 紫外輻照后粘結(jié)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 0.001 nm。圖4為激光光源的譜分布，中心波長是 1 301.10 nm , 帶寬是土 0.05 nm圖5給出了器件諧振譜相對功率的測量結(jié)果， 可以觀察到 3 根諧振譜線。 但是在長波長一側(cè)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(shù)變大，導致共振銳度 F 變小，諧振譜變得平坦。3 結(jié) 論設(shè)計并試制了一種基于石英材料的光波導開放式環(huán)形諧