应用分享丨以亚皮米级光谱分辨率测试PIC中的微环谐振腔

  微环谐振腔是集成光子学(PIC)技术中的关键组件。但随着它们的性能不断提高，需要越来越精确的测试和测量解决方案。EXFO的测试平台可以解决这一需求。

  在集成光子学领域，微环谐振腔发挥了关键作用，是推动该技术发展的重要力量。作为一种干涉仪，它能够产生非常尖锐的光谱特征，因此，不仅可以用作超灵敏探测器，还可以在基于光子集成电路的窄线宽可调激光器中作为波长滤波器使用。此外，它还可以作为紧凑且超低电压的光学调制器，有望在日益耗电的电信和数据通信行业中带来革命性的改变。微环谐振腔的结构由一个环状波导和一个或多个线性波导组成，这些波导被放置得足够近，以便部分光能够在它们之间耦合，从而形成高效的光学谐振腔。品质因数(或Q值)是衡量器件干涉效率的一个重要指标——Q值越高，器件的效率也就越高，并且与器件的光谱性能直接相关。随着低损耗结构和材料的不断发展，基于集成光子环谐振腔的干涉仪可以实现高达数百万的Q值。鉴定这类无源光器件的光谱响应变得越来越具有挑战性。除其他性能参数外，Q 因子的光谱测量不仅需要高精度和高准确度，还需要在短时间内完成测试，因为一个集成光子学晶片上就有数千个这样的元件。本文详细介绍了测量这些微环谐振腔结构所面临的主要挑战，并深入探讨了如何实现快速、准确和高分辨率地鉴定微环谐振腔的光谱特性。特别值得一提的是，由CEA-Leti提供的高Q值谐振腔的测量案例，为我们展示了一种高效表征PICs中这些关键器件的方法，为未来的研究和应用提供了宝贵的参考。

图1. 环形谐振腔，图片由CEA-Leti提供

  微环谐振腔的光谱特性

  微环谐振腔的传输光谱的基本模式由与环形腔体的共振相对应的洛伦兹形状凹槽组成。然后，该模式以与谐振腔的自由光谱范围相对应的间隔重复出现。这种特性的高对比度对环的物理和光学特性以及与附近线性波导的相互作用密切相关。近年来，微环谐振腔已经展示出具有数百万的Q值，这使它们成为调制器、滤波器或传感器等应用中的重要组件。这样的Q值大致转化为小于1 pm的光谱共振带宽和几分贝的光峰深度。在鉴定这类器件的特性时，峰值的光谱位置、峰值之间的间距以及峰值的高度和宽度是关键的参数，通过分析这些参数信息，可以评估环形谐振腔是否适合特定应用。然而，要获取这些高对比度特性的光谱信息却是一个巨大的挑战，我们需要可靠地读取波长和光功率信息。因此，测试仪器需要飞米级的光谱分辨率，还需要能够处理10 dB/pm的功率波动。对环形谐振腔进行快速、可靠和高分辨率光谱测量的最佳技术是使用连续可调激光器和一个或多个快速探测器。激光器需要覆盖相关的工作波长范围，同时提供低线宽和良好的光谱质量，以避免测量伪影。测试系统的检测部分需要具有出色的线性度和足够的动态范围，这样才能在一次测量中捕捉到设备的全部光谱对比度，而不会出现任何失真或不连续性。此外，整个系统还需要出色的波长精度和可重复性，以及高光谱分辨率，以便在几秒钟内以飞米级精度收集正确波长上的所有数据点。最后，通常还需要极化控制，以确保信号耦合到正确的传输模式。

  高分辨率进行高效快速光谱测试

  图2 展示了一种光谱表征解决方案，其中器件测试平台控制着激光器，并同步监测测试设备的波长、输入功率和输出功率。这种系统已经被证明可以捕获回波损耗和偏振相关损耗的测量值，并提供了环形谐振腔测试所需的高质量光谱性能。

图2. 扫频激光法光谱表征仪器的示例，包括可调激光器(来自EXFO的T200S/T500S)和集成在器件测试平台(来自EXFO的CTP10)中的一系列功率计。

图3. 使用CTP10器件测试平台测量的高Q值环形谐振腔的光谱响应，分辨率分别为1 pm(红色)和20 fm(蓝色)。器件由CEA-Leti提供。

图3 展示了由CEA-Leti提供的一款Q值为600万的环形谐振腔的测量结果。该图显示了在此案例中使用的测试解决方案的高分辨率模式所达到的精度水平。由于采用了 "即时"光学波长检测，在每个调谐步骤中都能精确确定激光波长，避免了因激光速度变化等因素造成的测量误差。配合快速、高动态范围的光电探测器，系统能够无失真或伪影地解析出共振的洛伦兹形状。这样的系统还提供高度可重复的测量，非常适合用于表征共振位置与其他环形谐振腔参数的关系，例如用于相移或热控制的外加电压。事实上，该系统的飞米级采集功能可以解析复杂的行为，如模式分裂效应--如图4 所示，当环中的缺陷产生逆向传播模式时，会出现两个共振峰，而不是一个共振峰。

图4. 以20 fm光谱分辨率测量的模式分裂光谱事件示例(与图3 中的同一环形谐振腔)，使用CTP10组件测试平台进行测量。设备由CEA-Leti提供。

  不断提高的 Q 因子要求越来越高的光谱精度和分辨率，并尽量缩短测试时间。对于测试与测量工程师和研究人员来说，这是一个充满挑战但又令人兴奋的时代。

  CTP10-无源光器件测试平台

  主要特点：

  使用扫频技术进行光学(IL、PDL、RL)和光电流表征

  业界首创的1260至1620 nm全波段PDL测量

  高分辨率的测量功能：最高可达20 fm(扫描速度为20 nm/s时)。

  触发式记录测量功能：增强了测量瞬态光学现象或通过外部触发测量的能力。

  高分辨率的光谱测量使CTP10能够在多种应用中发挥巨大作用，如扫频干涉测量(SWI)、激光器光源的零差检测和光频域反射测量(OFDR)，提供从500 fm到20 fm的采样分辨率，同时持续追踪波长精准度、可重复性、光功率动态范围和功率变化情况。借助CTP10器件测试平台以及EXFO的连续可调谐扫频激光器T200S和T500S，可以实现高分辨率的光谱测量。