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應(yīng)用分享丨以亞皮米級光譜分辨率測試PIC中的微環(huán)諧振腔

摘要:微環(huán)諧振腔是集成光子學(xué)(PIC)技術(shù)中的關(guān)鍵組件。但隨著它們的性能不斷提高,需要越來越精確的測試和測量解決方案。EXFO的測試平臺可以解決這一需求。

  微環(huán)諧振腔是集成光子學(xué)(PIC)技術(shù)中的關(guān)鍵組件。但隨著它們的性能不斷提高,需要越來越精確的測試和測量解決方案。EXFO的測試平臺可以解決這一需求。

  在集成光子學(xué)領(lǐng)域,微環(huán)諧振腔發(fā)揮了關(guān)鍵作用,是推動該技術(shù)發(fā)展的重要力量。作為一種干涉儀,它能夠產(chǎn)生非常尖銳的光譜特征,因此,不僅可以用作超靈敏探測器,還可以在基于光子集成電路的窄線寬可調(diào)激光器中作為波長濾波器使用。此外,它還可以作為緊湊且超低電壓的光學(xué)調(diào)制器,有望在日益耗電的電信和數(shù)據(jù)通信行業(yè)中帶來革命性的改變。微環(huán)諧振腔的結(jié)構(gòu)由一個環(huán)狀波導(dǎo)和一個或多個線性波導(dǎo)組成,這些波導(dǎo)被放置得足夠近,以便部分光能夠在它們之間耦合,從而形成高效的光學(xué)諧振腔。品質(zhì)因數(shù)(或Q值)是衡量器件干涉效率的一個重要指標(biāo)——Q值越高,器件的效率也就越高,并且與器件的光譜性能直接相關(guān)。隨著低損耗結(jié)構(gòu)和材料的不斷發(fā)展,基于集成光子環(huán)諧振腔的干涉儀可以實現(xiàn)高達(dá)數(shù)百萬的Q值。鑒定這類無源光器件的光譜響應(yīng)變得越來越具有挑戰(zhàn)性。除其他性能參數(shù)外,Q 因子的光譜測量不僅需要高精度和高準(zhǔn)確度,還需要在短時間內(nèi)完成測試,因為一個集成光子學(xué)晶片上就有數(shù)千個這樣的元件。本文詳細(xì)介紹了測量這些微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)所面臨的主要挑戰(zhàn),并深入探討了如何實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確和高分辨率地鑒定微環(huán)諧振腔的光譜特性。特別值得一提的是,由CEA-Leti提供的高Q值諧振腔的測量案例,為我們展示了一種高效表征PICs中這些關(guān)鍵器件的方法,為未來的研究和應(yīng)用提供了寶貴的參考。

圖1. 環(huán)形諧振腔,圖片由CEA-Leti提供

  微環(huán)諧振腔的光譜特性

  微環(huán)諧振腔的傳輸光譜的基本模式由與環(huán)形腔體的共振相對應(yīng)的洛倫茲形狀凹槽組成。然后,該模式以與諧振腔的自由光譜范圍相對應(yīng)的間隔重復(fù)出現(xiàn)。這種特性的高對比度對環(huán)的物理和光學(xué)特性以及與附近線性波導(dǎo)的相互作用密切相關(guān)。近年來,微環(huán)諧振腔已經(jīng)展示出具有數(shù)百萬的Q值,這使它們成為調(diào)制器、濾波器或傳感器等應(yīng)用中的重要組件。這樣的Q值大致轉(zhuǎn)化為小于1 pm的光譜共振帶寬和幾分貝的光峰深度。在鑒定這類器件的特性時,峰值的光譜位置、峰值之間的間距以及峰值的高度和寬度是關(guān)鍵的參數(shù),通過分析這些參數(shù)信息,可以評估環(huán)形諧振腔是否適合特定應(yīng)用。然而,要獲取這些高對比度特性的光譜信息卻是一個巨大的挑戰(zhàn),我們需要可靠地讀取波長和光功率信息。因此,測試儀器需要飛米級的光譜分辨率,還需要能夠處理10 dB/pm的功率波動。對環(huán)形諧振腔進(jìn)行快速、可靠和高分辨率光譜測量的最佳技術(shù)是使用連續(xù)可調(diào)激光器和一個或多個快速探測器。激光器需要覆蓋相關(guān)的工作波長范圍,同時提供低線寬和良好的光譜質(zhì)量,以避免測量偽影。測試系統(tǒng)的檢測部分需要具有出色的線性度和足夠的動態(tài)范圍,這樣才能在一次測量中捕捉到設(shè)備的全部光譜對比度,而不會出現(xiàn)任何失真或不連續(xù)性。此外,整個系統(tǒng)還需要出色的波長精度和可重復(fù)性,以及高光譜分辨率,以便在幾秒鐘內(nèi)以飛米級精度收集正確波長上的所有數(shù)據(jù)點。最后,通常還需要極化控制,以確保信號耦合到正確的傳輸模式。

  高分辨率進(jìn)行高效快速光譜測試

  圖2 展示了一種光譜表征解決方案,其中器件測試平臺控制著激光器,并同步監(jiān)測測試設(shè)備的波長、輸入功率和輸出功率。這種系統(tǒng)已經(jīng)被證明可以捕獲回波損耗和偏振相關(guān)損耗的測量值,并提供了環(huán)形諧振腔測試所需的高質(zhì)量光譜性能。

圖2. 掃頻激光法光譜表征儀器的示例,包括可調(diào)激光器(來自EXFO的T200S/T500S)和集成在器件測試平臺(來自EXFO的CTP10)中的一系列功率計。

圖3. 使用CTP10器件測試平臺測量的高Q值環(huán)形諧振腔的光譜響應(yīng),分辨率分別為1 pm(紅色)和20 fm(藍(lán)色)。器件由CEA-Leti提供。

圖3 展示了由CEA-Leti提供的一款Q值為600萬的環(huán)形諧振腔的測量結(jié)果。該圖顯示了在此案例中使用的測試解決方案的高分辨率模式所達(dá)到的精度水平。由于采用了 "即時"光學(xué)波長檢測,在每個調(diào)諧步驟中都能精確確定激光波長,避免了因激光速度變化等因素造成的測量誤差。配合快速、高動態(tài)范圍的光電探測器,系統(tǒng)能夠無失真或偽影地解析出共振的洛倫茲形狀。這樣的系統(tǒng)還提供高度可重復(fù)的測量,非常適合用于表征共振位置與其他環(huán)形諧振腔參數(shù)的關(guān)系,例如用于相移或熱控制的外加電壓。事實上,該系統(tǒng)的飛米級采集功能可以解析復(fù)雜的行為,如模式分裂效應(yīng)--如圖4 所示,當(dāng)環(huán)中的缺陷產(chǎn)生逆向傳播模式時,會出現(xiàn)兩個共振峰,而不是一個共振峰。

圖4. 以20 fm光譜分辨率測量的模式分裂光譜事件示例(與圖3 中的同一環(huán)形諧振腔),使用CTP10組件測試平臺進(jìn)行測量。設(shè)備由CEA-Leti提供。

  不斷提高的 Q 因子要求越來越高的光譜精度和分辨率,并盡量縮短測試時間。對于測試與測量工程師和研究人員來說,這是一個充滿挑戰(zhàn)但又令人興奮的時代。

  CTP10-無源光器件測試平臺

  主要特點:

  使用掃頻技術(shù)進(jìn)行光學(xué)(IL、PDL、RL)和光電流表征

  業(yè)界首創(chuàng)的1260至1620 nm全波段PDL測量

  高分辨率的測量功能:最高可達(dá)20 fm(掃描速度為20 nm/s時)。

  觸發(fā)式記錄測量功能:增強了測量瞬態(tài)光學(xué)現(xiàn)象或通過外部觸發(fā)測量的能力。

  高分辨率的光譜測量使CTP10能夠在多種應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用,如掃頻干涉測量(SWI)、激光器光源的零差檢測和光頻域反射測量(OFDR),提供從500 fm到20 fm的采樣分辨率,同時持續(xù)追蹤波長精準(zhǔn)度、可重復(fù)性、光功率動態(tài)范圍和功率變化情況。借助CTP10器件測試平臺以及EXFO的連續(xù)可調(diào)諧掃頻激光器T200S和T500S,可以實現(xiàn)高分辨率的光譜測量。

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