光电子学与激光技术

基于热非线性效应的硅基串联双微环谐振腔全光开关

刘毅，王文睿，郭精忠，等

摘要：目的：易于集成、高消光比是目前全光开关的研究目标。基于硅基微环谐振腔的光开关是研究的热点，但由于加工工艺的局限性，临界耦合和损耗受到了制约。本文采用硅基双微环串联谐振腔，研究同谐振波长处的陷波深度，并用面内双光注入法实现高消光比全光开关，为高集成化、高性能光路由和光调制器提供可行的方案。方法：（1）串联双环谐振腔结构；实验采用10 μm半径串联双微环谐振腔，微环与直波导耦合的空气隙及双环间空气间隙都为100 nm。在直波导的每一个末端，采用离面耦合系统，光栅周期为590 nm，耦合时，将光纤与垂直方向成9.5°放置，横向与纵向的调节误差为±1 μm，纤对纤的插入损耗大约为20 dB。（2）谐振腔基本特性；采用双端口网络的传输矩阵法进行分析，在同等条件下，双环谐振腔与单环谐振腔相比多出系数(1-t)2，t为传输系数，可知前者可以有效改善全光开关消光比。（3）热非线性效应双光注入全光开关原理；采用面内双光注入技术，将探测光置于第一个谐振波长处，控制光置于相邻谐振波长右侧，当控制光注入功率为低电平时，谐振谱没有变化，探测光为“0”，处于“关”状态；当控制光注入功率为高电平时，由于热非线性效应，谐振谱发生红移，探测光远离谐振波长，此时为高电平，处于“开”状态。结果：（1）串联双环谐振腔特性；用面内单光注入实验方案，对谐振谱进行测试，得到3个谐振波长对应的谐振谱。串联双微环的前两个谐振波长一致，陷波深度明显比第3个谐振波长深，1540.4 nm谐振波长有27 dB陷波深度，1548.46 nm谐振波长有 27 dB陷波深度，0.3 nm间隔双峰的1556.52 nm谐振波长有10 dB陷波深度，谐振腔自由频谱宽为8.16 nm，得出耦合系数为0.201，损耗系数为5.8 dB/cm。（2）热非线性系数；同样利用面内单光注入技术，研究了1540.4 nm谐振波长的热非线性效应，在注入功率范围为-9.7～2.2 dBm的11个值内，测得了20.2 dB的消光比和136 pm/mW热非线性系数。（3）全光开关；为了进一步研究串联双微环全光开关的特性，搭建基于硅基串联双微环谐振腔热非线性效应的面内双光注入全光开关实验装置，一路为控制光，为了保证足够的抽运光进入谐振腔中，取大于谐振波长1548.46 nm的1548.57 nm，另一路为探测光，置于谐振波长1540.4 nm处，同时加入调制频率为100 kHz的方波测试开关时间，测得开关上升、下降时间分别为2.84 μs和3.04 μs，与理论值微秒量级吻合，此即为全光开关时间。结论：采用半径相同的（10 μm）、陷波深度为27 dB的硅基串联双微环谐振腔，通过离面耦合方式，在面内单光注入时，测得最大消光比高达20.2 dB，并测试热非线性效应引起的红移量为136.4 pm/mW。采用面内双光注入方式，测试得到上升、下降时间分别为2.84 μs 和 3.04 μs。

来源出版物：中国激光, 2013, 40(2): 0205006

入选年份：2017