片上微环谐振腔的损耗特征关系到整个器件的光学性能,传统的透射表征方法容易受到片上其他器件的干扰,当测量超高Q值的微环时,光谱仪分辨率不足将会严重影响测量结果的准确性。使用OCI系统,通过背向表征方法,可准确、方便地提取微环的传播损耗和自由光谱范围等特征。

由于微环的尺寸较小、损耗较低,光在其内部环绕传播时间很久,通过探测传播过程中每个位置的回波信号,可以提取环内的损耗性质。

测试原理如图1所示。表征的微环是一个Ge掺杂型的二氧化硅微环,半径为1600μm,芯区的折射率为1.48,包层折射率为1.44左右,微环的界面尺寸为4μm*4μm。


图1. 测试系统实验装置示意图

将OCI系统接入微环器件,设置扫描的波长范围与微环的工作波长范围重合,进行约80nm扫频范围的测试。

第一次宽谱扫描的结果如图2所示。可以看出,虽然微环腔的环波导周长不到1cm,整个芯片从头至尾的长度也只有约1.5cm,但是在距离域上测得了将近2m的传播路径,这就是耦合入微腔的谐振光在微腔内进行环绕传播的距离。

从OCI系统耦合入微腔的光,其相对的信号强度从约-100dB衰减至-130dB,最终在约6.5m的距离处淹没于OCI系统的本底噪声之中。


图2. 微环内的距离域传播特征

利用OCI系统的频域表征模块,得到了环内传播的谐振光距离域信息,也就是从4.5m到约6.5m的区域,由于我们的扫频范围包括了微腔的很多谐振频率,所以这一段曲线实际上是所有谐振光贡献的总和。

根据光频域反射原理,选取距离域上的任意一段路径,对这段曲线进行反傅里叶变换(iFFT)算法处理,得出此段路径的OFDR频率响应,结果如图3所示。


图3. 微环的频率响应

最后,对谐振腔的距离域谱线进行了拟合测量。为了验证该表征技术的准确性,制备了3个不同耦合长度(L)的微环,分别被命名为微环A (L=600μm)、微环B (L=400μm)和微环C (L=200μm),其传播损耗测量结果如图4所示。


图4. 三种耦合长度微腔的距离域传播特征

通过曲线分析,可以求出它们的损耗值分别为-7.8dB/m、-7.0dB/m和-5.1dB/m。反映了随着耦合长度的减小,微环与耦合直波导的耦合强度会相应地减小,使得光在微环中每绕一周的传播损耗降低。

综上所述,利用OCI系统表征微环器件,可以方便地获得光在微环中的距离域传播曲线,通过谱线分析,可以准确地提取微环的频率响应和传播损耗特征。该技术还可以推广到其他各类光学微腔的表征实验中,特别是超高Q值微腔的表征,理论上Q值越高,OCI系统的距离域的采集点会越多,测量反而会更容易,说明该系统具有较高的应用前景和推广价值。


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