SOI多環(huán)級聯(lián)光學(xué)諧振腔濾波器

王曉倩，馬可貞，趙 宇，馮薪霖，薛晨陽，張文棟，閆樹斌*

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051;2.山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院，山西太原 030006)

近年來，隨著硅光子技術(shù)與 MEMS(Microelectro-mechanical systems)技術(shù)的進(jìn)步，基于SOI(Silicon-on-insulator)的光子器件有了很大的發(fā)展。基于SOI的光波導(dǎo)諧振腔器件具有高集成、低功耗、高靈敏等特點，廣泛應(yīng)用在光學(xué)通信、快速調(diào)制、集成電路、精確測量等方面［1-6］?；诠璨牧吓c二氧化硅材料的高折射率差，諧振腔器件可將大部分光局限在硅波導(dǎo)中傳輸，有效地減少了光泄漏［7-8］。SOI器件可有效減小回音壁模式(Whispering Gallery Mode，WGM)系統(tǒng)中的復(fù)雜性［9-10］。高階濾波器［11］由于其平坦的響應(yīng)通帶、快速的濾波滾降和帶外信號的高抑制而引起了廣泛的關(guān)注和研究［12-13］。運(yùn)用成熟的低成本MEMS技術(shù)，SOI微環(huán)濾波器使得WGM信號處理中的芯片集成化成為可能，為電子光子集成器件的發(fā)展與制造提供了良好平臺。

本文對多環(huán)級聯(lián)微環(huán)諧振腔濾波器的光學(xué)傳輸做了理論分析，運(yùn)用MEMS工藝制備了圓形十環(huán)級聯(lián)諧振腔以及跑道形雙環(huán)級聯(lián)諧振腔濾波器。對不同類型微環(huán)諧振腔濾波器的譜線響應(yīng)特性做了分析，利用多環(huán)級聯(lián)諧振腔的平頂陡邊特性制作了窄線寬濾波器。

2 多環(huán)耦合理論分析

多環(huán)級聯(lián)諧振腔的結(jié)構(gòu)如圖1所示，0～N+1分別表示級聯(lián)的環(huán)數(shù)，E(in)0、E(out)0分別表示光波導(dǎo)輸入光與輸出光，E(out)N+1表示通過N環(huán)耦合后直波導(dǎo)的輸出光。E(±)nexp(iβl)表示 n環(huán)與 n+1環(huán)之間的光場，其中+、－分別表示耦合區(qū)域光的輸入輸出，β表示傳輸系數(shù)，l表示耦合區(qū)域微環(huán)長度。多環(huán)結(jié)構(gòu)的傳輸常量B和耦合常量K可分別表示為:

圖1 多環(huán)級聯(lián)諧振腔Fig.1 Multiple ring cascaded resonator

其中L表示微環(huán)的周長，k表示微環(huán)腔之間的耦合系數(shù)。多環(huán)級聯(lián)諧振腔耦合區(qū)域的光場特性用傳輸矩陣［14］可表示為:

同樣，波導(dǎo)與微環(huán)之間的光場可表示為:

根據(jù)輸入與輸出光場，可以得到直通口端(Through)和下載濾波端口(Drop)的傳輸函數(shù):

根據(jù)方程(4)Through端口和Drop端口的傳輸函數(shù)可表示為:

在理論分析的基礎(chǔ)上，我們研究并論證了多環(huán)諧振腔諧振譜特性與級聯(lián)環(huán)數(shù)N的關(guān)系，得到濾波頂端平坦，滾降垂直度較高的多環(huán)級聯(lián)微環(huán)諧振腔濾波器。

3 實 驗

3.1 耦合實驗測試系統(tǒng)

微環(huán)諧振腔的測試系統(tǒng)如圖2(a)所示。光源由New Focus可調(diào)諧激光器(TLB-6300-LN，線寬小于300 kHz)產(chǎn)生，其中心波長為1 550 nm，可調(diào)諧范圍為1 520～1 570 nm。光源通過單模透鏡光纖與光柵垂直耦合進(jìn)入光波導(dǎo)，并與多環(huán)級聯(lián)諧振腔有效耦合輸出;測試系統(tǒng)中將兩根單模透鏡光纖分別固定于對應(yīng)高精度三維調(diào)節(jié)架上，調(diào)節(jié)使得輸入與輸出光纖與光柵處于最佳耦合狀態(tài)。連續(xù)掃描激光器輸出光波長，通過光電探測器(New Focus:Model 1811)實時記錄對應(yīng)的輸出光強(qiáng)，即可得到透射譜線。為避免溫度變化引起的輸出譜線漂移，準(zhǔn)確反應(yīng)多環(huán)級聯(lián)微諧振腔濾波器頻譜特性，測試系統(tǒng)中采用溫控制系統(tǒng)，得到了穩(wěn)定性良好的諧振譜。

圖2 微環(huán)諧振腔濾波器測試系統(tǒng)。(a)系統(tǒng)框圖;(b)系統(tǒng)實驗圖Fig.2 Measurement setup for micro-ring resonator filters.(a)System diagram.(b)Experimental installation.

測試實驗系統(tǒng)如圖2(b)所示，實驗中分別通過一個紅外CCD和一個光學(xué)CCD對光路及濾波器進(jìn)行觀測和調(diào)整。

3.2 微環(huán)諧振腔的制備

通過MEMS工藝采用SOI材料制備了微環(huán)諧振腔濾波器，通過SOI基片預(yù)處理、涂覆PMMA光刻膠、電子束光刻、顯影、ICP深硅刻蝕波導(dǎo)芯區(qū)、濕法去膠等工藝得到光波導(dǎo)基本結(jié)構(gòu)。隨著微環(huán)諧振腔級聯(lián)個數(shù)的增加，整個波導(dǎo)的損耗增加［15-16］，采用 PECVD法生長SiO2包層以減小光散射損耗。光波導(dǎo)濾波器的截面結(jié)構(gòu)如圖3所示，波導(dǎo)的寬為450 nm，高為220 nm，覆蓋層與埋氧層SiO2的厚度分別為2 μm和3 μm。

圖3 波導(dǎo)截面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Cross section of waveguides.

十環(huán)級聯(lián)環(huán)腔濾波器的結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，其半徑R=5 μm，波導(dǎo)與微環(huán)的耦合間距約為150 nm。跑道形雙環(huán)級聯(lián)微環(huán)腔的結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，其彎曲半徑Rc=10 μm，直波導(dǎo)長Ls=10 μm。波導(dǎo)耦合區(qū)間的側(cè)壁如圖4(c)所示。光波導(dǎo)粗糙度較大是導(dǎo)致濾波線寬有所展寬的主要原因，經(jīng)原子力顯微鏡測量側(cè)壁的粗糙度約為10 nm。因此，有效提高波導(dǎo)表面光滑度是提高微環(huán)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q，獲得窄線寬濾波特性的關(guān)鍵因素。

圖4 (a)十環(huán)級聯(lián)微環(huán)SEM圖;(b)雙環(huán)級聯(lián)跑道形微環(huán)SEM圖;(c)波導(dǎo)側(cè)壁SEM圖。Fig.4 (a)SEM of tenth-order microring.(b)SEM of double racetrack microrings.(c)SEM of the sidewall waveguide.

4 結(jié)果與討論

對單環(huán)半徑R=10 μm的微環(huán)諧振腔濾波器進(jìn)行測試，響應(yīng)譜線如圖5所示。當(dāng)激光在1 520～1 570 nm之間進(jìn)行掃描時，可以得到6個諧振譜;1 550 nm附近諧振譜的－3 dB帶寬為0.252 nm，自由頻譜寬度(FSR)約為8.75 nm。實驗中采用垂直光柵耦合，由于光柵結(jié)構(gòu)對不同波段激光的耦合效率不同以及外界干擾等因素的影響，響應(yīng)譜線強(qiáng)度有所差別。單環(huán)、雙環(huán)、十環(huán)級聯(lián)微環(huán)諧振腔濾波器的響應(yīng)譜線如圖6所示，其－3 dB帶寬分別為 0.313，0.279，0.239 nm。當(dāng)級聯(lián)環(huán)數(shù)增加時，根據(jù)Vernier效應(yīng)，響應(yīng)譜線頂端的平坦度以及滾降垂直度增大，并且響應(yīng)線寬變窄。彎曲半徑 Rc=10 μm、直波導(dǎo)的長 Ls=10 μm 的跑道形雙環(huán)級聯(lián)微腔濾波器的歸一化測試譜線如圖7所示，可以獲得Through端和Drop端1 534～1 557 nm之間的諧振譜，其 FSR約為6.7 nm，1 550 nm附近諧振譜的－3 dB帶寬為0.256 nm。由圖5和圖6可得出微環(huán)級聯(lián)諧振腔周長由62.8 μm 增大到 82.8 μm 時，跑道形微環(huán)諧振腔的FSR減小，彎曲損耗與散射損耗減小，－3 dB帶寬變窄，更益于制作窄線寬濾波器。

圖5 單環(huán)歸一化諧振譜線Fig.5 Normalized drop-port transmission spectra for the 1storder ring

圖6 單環(huán)、雙環(huán)和十環(huán)級聯(lián)微環(huán)諧振譜線。Fig.6 Normalized drop-port transmission spectra for the 1storder，2nd-orer and 10th-order ring.

圖7 跑道形雙環(huán)級聯(lián)諧振譜線Fig.7 Normalized wavelength based on double racetrack rings

5 結(jié) 論

設(shè)計了一種基于SOI的多環(huán)級聯(lián)微環(huán)諧振腔濾波器，從光學(xué)傳輸理論上分析了多環(huán)級聯(lián)微環(huán)諧振腔的傳輸特性，并從實驗上驗證了濾波器的窄線寬響應(yīng)特性。單環(huán)、雙環(huán)和十環(huán)級聯(lián)諧振腔濾波器響應(yīng)譜線的 －3dB帶寬分別為0.313，0.279，0.239 nm，說明隨著級聯(lián)環(huán)數(shù)的增加，濾波頻帶變窄，滾降垂直度增大。對跑道形雙環(huán)級聯(lián)濾波器進(jìn)行了測試，1 550 nm附近諧振譜的－3 dB帶寬為0.256 nm，較彎曲半徑相同的圓環(huán)形級聯(lián)諧振腔濾波器，濾波頻帶變窄;因此，跑道形級聯(lián)諧振腔更適于制作窄線寬濾波。硅基微環(huán)諧振腔的窄線寬特性，為高速調(diào)制光電集成芯片的實現(xiàn)提供了可行方案。

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