基于熱非線性效應(yīng)的硅基串聯(lián)雙微環(huán)諧振腔全光開關(guān)

劉毅，王文睿，郭精忠，等

摘要：目的：易于集成、高消光比是目前全光開關(guān)的研究目標(biāo)。基于硅基微環(huán)諧振腔的光開關(guān)是研究的熱點(diǎn)，但由于加工工藝的局限性，臨界耦合和損耗受到了制約。本文采用硅基雙微環(huán)串聯(lián)諧振腔，研究同諧振波長(zhǎng)處的陷波深度，并用面內(nèi)雙光注入法實(shí)現(xiàn)高消光比全光開關(guān)，為高集成化、高性能光路由和光調(diào)制器提供可行的方案。方法：（1）串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)采用10 μm半徑串聯(lián)雙微環(huán)諧振腔，微環(huán)與直波導(dǎo)耦合的空氣隙及雙環(huán)間空氣間隙都為100 nm。在直波導(dǎo)的每一個(gè)末端，采用離面耦合系統(tǒng)，光柵周期為590 nm，耦合時(shí)，將光纖與垂直方向成9.5°放置，橫向與縱向的調(diào)節(jié)誤差為±1 μm，纖對(duì)纖的插入損耗大約為20 dB。（2）諧振腔基本特性；采用雙端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣法進(jìn)行分析，在同等條件下，雙環(huán)諧振腔與單環(huán)諧振腔相比多出系數(shù)(1-t)2，t為傳輸系數(shù)，可知前者可以有效改善全光開關(guān)消光比。（3）熱非線性效應(yīng)雙光注入全光開關(guān)原理；采用面內(nèi)雙光注入技術(shù)，將探測(cè)光置于第一個(gè)諧振波長(zhǎng)處，控制光置于相鄰諧振波長(zhǎng)右側(cè)，當(dāng)控制光注入功率為低電平時(shí)，諧振譜沒有變化，探測(cè)光為“0”，處于“關(guān)”狀態(tài)；當(dāng)控制光注入功率為高電平時(shí)，由于熱非線性效應(yīng)，諧振譜發(fā)生紅移，探測(cè)光遠(yuǎn)離諧振波長(zhǎng)，此時(shí)為高電平，處于“開”狀態(tài)。結(jié)果：（1）串聯(lián)雙環(huán)諧振腔特性；用面內(nèi)單光注入實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)諧振譜進(jìn)行測(cè)試，得到3個(gè)諧振波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的諧振譜。串聯(lián)雙微環(huán)的前兩個(gè)諧振波長(zhǎng)一致，陷波深度明顯比第3個(gè)諧振波長(zhǎng)深，1540.4 nm諧振波長(zhǎng)有27 dB陷波深度，1548.46 nm諧振波長(zhǎng)有 27 dB陷波深度，0.3 nm間隔雙峰的1556.52 nm諧振波長(zhǎng)有10 dB陷波深度，諧振腔自由頻譜寬為8.16 nm，得出耦合系數(shù)為0.201，損耗系數(shù)為5.8 dB/cm。（2）熱非線性系數(shù)；同樣利用面內(nèi)單光注入技術(shù)，研究了1540.4 nm諧振波長(zhǎng)的熱非線性效應(yīng)，在注入功率范圍為-9.7～2.2 dBm的11個(gè)值內(nèi)，測(cè)得了20.2 dB的消光比和136 pm/mW熱非線性系數(shù)。（3）全光開關(guān)；為了進(jìn)一步研究串聯(lián)雙微環(huán)全光開關(guān)的特性，搭建基于硅基串聯(lián)雙微環(huán)諧振腔熱非線性效應(yīng)的面內(nèi)雙光注入全光開關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，一路為控制光，為了保證足夠的抽運(yùn)光進(jìn)入諧振腔中，取大于諧振波長(zhǎng)1548.46 nm的1548.57 nm，另一路為探測(cè)光，置于諧振波長(zhǎng)1540.4 nm處，同時(shí)加入調(diào)制頻率為100 kHz的方波測(cè)試開關(guān)時(shí)間，測(cè)得開關(guān)上升、下降時(shí)間分別為2.84 μs和3.04 μs，與理論值微秒量級(jí)吻合，此即為全光開關(guān)時(shí)間。結(jié)論：采用半徑相同的（10 μm）、陷波深度為27 dB的硅基串聯(lián)雙微環(huán)諧振腔，通過離面耦合方式，在面內(nèi)單光注入時(shí)，測(cè)得最大消光比高達(dá)20.2 dB，并測(cè)試熱非線性效應(yīng)引起的紅移量為136.4 pm/mW。采用面內(nèi)雙光注入方式，測(cè)試得到上升、下降時(shí)間分別為2.84 μs 和 3.04 μs。

來源出版物：中國(guó)激光, 2013, 40(2): 0205006

入選年份：2017