昊衡科技OFDR应用：基于OCI系统的片上微环器件表征

6/07/2021，光纤在线讯：
1、概述
   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OCI1500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。
 


2、测试过程
   微环的尺寸较小，但是由于损耗较低，光会在微环的内部环绕传播很长的时间，通过探测传播过程中每个位置处的回波信号，我们可以提取环内的损耗性质。测试原理如图1所示。我们表征的微环是一个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

   首先我们将OCI1500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，然后进行约80nm扫频范围的测试。由于这个范围内包括了很多个谐振频率，所以我们可以在OCI系统上，选取距离域信号进行iFFT变换，从而得出微环的频率响应，通过测量相邻两个谐振峰的波长间隔，我们可以得到微环的自由光谱范围，最后我们通过拟合光传播信号曲线，得出微环的损耗值。

3、测试结果
   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，但是我们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，我们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，我们还制备了3个耦合长度（L）不同的微环，分别被命名为微环A(L=600μm)、微环B(L=400μm)和微环C(L=200μm)，它们的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。

4、实验结论
   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。