级联环形谐振腔温漂抑制效应实验研究*

张　伟，唐　军，刘丽双*

（1.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

级联环形谐振腔温漂抑制效应实验研究*

张伟1，2，唐军1，2，刘丽双1，2*

（1.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

为降低温度变化对基于微环谐振腔的滤波器、调制器等光学精密器件性能的影响，研究了微环谐振腔的温度特性，设计加工了基于绝缘体上硅的单环以及多环微腔结构。通过数显温控加热系统对微环谐振腔加热，利用波长扫描的方式，进行了谐振腔透射谱线的测试实验，通过线性拟合分析，计算得到单环谐振腔谐振波长漂移与温度的变化关系为105 pm/℃，双环谐振器与温度的变化关系为97 pm/℃，三环谐振器与温度的变化关系为80 pm/℃，九环的谐振波长漂移与温度的变化关系为27 pm/℃。即环个数增加，谐振腔温度系数有减弱趋势，较好实现了谐振腔温漂抑制作用。

温度系数；绝缘体上硅；微环谐振腔；垂直光栅耦合

光学微环谐振腔作为集成光学中一个非常重要的元件，具有谐振原理简单，器件尺寸极小，容易与其他光电子元器件进行光学集成等优点，广泛应用于全光开关、光调制器、光滤波器、超低阈值激光器、生物监测等领域［1-7］。微环谐振腔的谐振波长主要由谐振腔的尺寸和有效折射率决定。谐振腔尺寸和折射率的微小变化就可导致谐振波长明显的变化。由于谐振腔材料属性很容易受到热膨胀的影响，当外界温度变化时会造成材料发生热膨胀，而材料的热膨胀和热光效应分别影响谐振腔尺寸和折射率的变化，会导致谐振波长变化［8］，最终影响谐振腔应用到滤波器、调制器等领域中的性能。

目前，微环谐振腔温度补偿的研究已经成为了国内外研究热点。加拿大国家研究委员会显微结构科学研究所Xu D X等人［9］提出采用涂覆SU-8或SiO2层的微环谐振腔阵列用于在非恒温环境下溶液浓度监测，由于涂覆层材料热光系数较小，可以显著减小谐振腔结构有效折射率，该方法可实现长达3 h的溶液浓度精确监测，温度漂移仅为62.1 pm/℃，有效的减小了温度变化带来的影响。哥伦比亚大学Sahba等人［10］设计了超薄的90 nm厚的SOI基波导谐振腔结构，应用于生物分子浓度监测中可以将温度漂移量减小到49 pm/K。此外，一些研究机构采用新型聚合物材料如聚酰亚胺和硅树脂等代替硅制造波导谐振腔，利用聚合物材料具有负的热光系数的特性，使测试输出光谱产生微弱的蓝移，有效的将温度漂移影响控制在要求范围之内［11］。

综上所述，国内外现有研究大多采用聚合物替代传统硅基波导，或在波导谐振腔上涂覆聚合物层，其实质都是通过调控谐振腔的热光系数改变有效折射率，从而有效的控制温度漂移。然而，这些方法都严重依赖于聚合物材料的物理性质，尤其在光传输、耦合方面难以媲美硅基光波导所具有的完美特性，受到极大的应用局限性。本文设计加工了基于绝缘体上硅材料环形微腔结构，研究了光学级联环形微腔谐振波长和一定范围内温度的关系，通过实验测试，随着微环个数增加，谐振腔表现出较好的温度抑制特性。

1　实验

1.1微环制备工艺

通过给绝缘体上硅基片涂覆聚甲基丙烯酸甲酯PMMA4光刻胶［12］、分别经过两次电子束光刻、显影、定影、深硅刻蚀等工艺相继得到波导结构和光栅。制备光波导使用的SOI基片大小为15mm×15mm，顶层硅的厚度为220 nm，中间层二氧化硅厚度为3 μm，衬底硅厚度为675 μm。流片工艺中采用的电子束光刻机是直写式JBX5500ZA，工作时选取矢量扫描方式，电子束曝光无需掩膜，可实现低至10 nm的线宽图形。在做好标记的SOI基片上，经过两次电子束光刻、两次深硅刻蚀首先做出波导结构进而在波导的输入和输出端上刻出光栅以进行光的耦合。工艺中，波导结构刻蚀深度为220 nm，光栅刻蚀深度为90 nm～110 nm，波导宽度为500 nm，与直波导耦合的微环半径为20 μm，微环与波导以及两环间耦合的间隙为100 nm，光栅的周期为600 nm，占空比约为1∶1。图1是冷场发射扫描电子显微镜S-4800及共聚焦显微镜下的多环结构图。

图1　多环结构图

1.2实验测试平台系统

实验中采用垂直光栅耦合方式测试谐振腔透射谱线，如图2所示。首先激光器产生1 520 nm～1 570 nm的红外光经过光纤传输到波导的输入端，光纤采用单模透镜光纤，末端呈75°锥形与波导输入端的光栅进行耦合，耦合时入射角倾斜10°左右。将温控加热片固定到三维高精度隔震调节台上，然后将SOI片放置于加热片中间，通过观察红外光CCD和长焦距CCD微调三维高精度隔震调节台对单模透镜光纤位置及高度进行微调以使耦合效率达到最大值。通过波导输入端光栅耦合进入波导的光经波导与微环的耦合在微环中产生谐振，产生的透射光谱会在输出端再次通过光栅耦合出来，然后通过光电探测器转换为电信号最后在示波器上显示输出谱线，实验测试系统如图3所示。

图2　CCD下垂直光栅耦合图

图3　实验测试系统示意图

测试中所使用的激光器为New Focus TLB-6728-P，其波长覆盖范围为1520 nm～1570 nm，线宽低于200 kHz。给数显温控器分别设置为20℃（实验室常温为20℃）、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃，为了保证微环谐振腔可以达到所设定的温度值，每次待设定温度恒定5 min后，激光器由1 520 nm开始以0.1 nm/s的速度进行线性扫描，随即微环谐振腔会在特定波长处发生谐振，输出的透射光谱经过一个低噪光电探测器New Focus 1811转换后在示波器中显示输出谱线。

2　结果分析讨论

实验中分别测试了单环、双环、三环以及九环级联谐振腔在不同温度下的谐振谱线，如图4所示。

根据微环的谐振条件

式中λm是微环的谐振波长，q是对应谐振波长λm在微环中稳定存在时的谐振级数，R是微环半径，neff是微环的有效折射率。由式知，对于同一级次的谐振波长，q相同，波长漂移量由微环的有效折射率以及微环半径决定，谐振波长移动与微环的有效折射率和半径的变化之间的关系［13-15］为

图4　不同温度下的透射谱线

由于Si材料的热膨胀系数为10-6量级，100℃以内的温度变化对结构的几何参数影响很小，可以忽略。又因为

所以有

令

即有

k就是谐振腔的温度敏感系数。

对测试结果进行线性拟合分析，谐振腔谱线漂移与温度变化关系如图5所示。

从测试结果中可以看出，随着温度的升高，谐振谱线呈红移趋势，这与理论分析相符合，热光效应导致产生了谐振波长的红移。通过计算分析得到在20℃～65℃范围内，单环的谐振波长漂移与温度变化的关系为k=105 pm/℃，双环的谐振波长漂移与温度的变化关系为k=97 pm/℃，三环的谐振波长漂移与温度的变化关系为k=80 pm/℃，九环的谐振波长漂移与温度的变化关系为k=29 pm/℃。通过实验结果可知，随着环个数增加，谐振腔对温漂的变化起到了抑制作用。

图5　谐振波长与温度的关系

3　结论

基于绝缘体上硅结构设计加工了单环以及多环微腔结构，并对微腔进行了谐振谱线的测试，通过理论分析以及线性拟合，计算得单环的谐振波长漂移与温度的变化关系为105 pm/℃，双环的谐振波长漂移与温度的变化关系为97 pm/℃，三环的谐振波长漂移与温度的变化关系为80 pm/℃，九环的谐振波长漂移与温度的变化关系为k=29 pm/℃。即环个数增加，谐振腔温度系数有减小趋势，对微环谐振腔作为生物监测广泛应用具有重大意义，为微环谐振腔在抑制温漂方面的研究提供了思路。

［1］刘毅，仝晓刚，于晋龙，等.基于热非线性效应的硅基串联双微环谐振腔全光开关［J］.中国激光，2013，40（2）：164-170.

［2］李锦明，李泽明，杨燕姣，等.激光陀螺信号解调中自适应滤波器的设计［J］.传感技术学报，2014，27（1）：79-83.

［3］商成龙，唐军，皮海龙，等.高Q值光学微球腔的温度系数研究［J］.中国激光，2015，42（3）：0302005.

［4］张伟，唐军，刘建华，等.硅基双环谐振腔力敏传感特性实验研究［J］.实验室研究与探索，2016（1）：47-49.

［5］He L，Ozdemir S K，Yang L.Whispering Gallery Microcavity Lasers［J］.Laser&Photonics Reviews，2013，7（1）：60-82.

［6］彭鹏，温廷敦，许丽萍，等.基于镜像异质三周期光子晶体的陀螺仪研究［J］.传感技术学报，2014，27（1）：53-57.

［7］Zhu J，Ozdemir S K，Xiao Y F，et al.On-chip Single Nanoparticle Detection and Sizing by Mode Splitting in an Ultrahigh-Q Microresonator［J］.Nature Photonics，2010，4（1）：46-49.

［8］Wang Pengfei，Senthil Murugan，Ganapathy，et al.High-Q Bismuth-Silicate Nonlinear Glass Microsphere Resonators［J］.Photonics Journal，IEEE，2012，4（3）：1013-1020.

［9］Xu D X，Vachon M，Densmore A，et al.Real-time Cancellation of Temperature Induced Resonance Shifts in SOI Wire Waveguide Ring Resonator Label-Free Biosensor Arrays［J］.Optics Express，2010，18（22）：22867-22879.

［10］Sahba Talebi Fard，Valentina Donzella，Shon A Schmidt，et al. Performance of Ultra-Thin SOI-Based Resonators for Sensing Applications［J］.Optics Express，2014，22（12）：14166-14179.

［11］韩秀友，韩笑男，王志灵，等.温度不敏感聚合物波导微环光学生化传感器研究［J］.光学学报，2015，35（11）：198-206.

［12］李明慧，马可贞，骆亮，等.耦合间距对绝缘体上硅微环谐振腔的性能影响［J］.中国激光，2014，41（6）：0610001

［13］Payam Rabiei.Electro-Optic and Thermo-Optic Polymer Micro-Ring Resonators and Their Applications［D］.Ph.D.Thesis，University of Southern California，2003.

［14］Jie Teng，Pieter Dumon，Wim Bogaerts，et al.Athermal Silicon-on-Insulator Ring Resonators by Overlaying a Polymer Cladding on Narrowed Waveguides［J］.Optics Express，2009，17（17）：14627-14633.

［15］宋世娇，安俊明，赵雷，等.硅纳米槽微环谐振器温度特性研究［J］.激光与光电子学进展，2010，47：121301-121305.

张伟（1990-），男，山西吕梁人，中北大学研究生，主要从事光纤传感及光学谐振腔方面的研究，zbdxzhangwei@163.com；

唐军（1981-），男，四川人，中北大学副教授，主要研究纳米材料、微/纳电子机械系统和微惯性技术方面的研究，tangjun16@126.com。

Temperature Drift Inhibition Effect of Cascade Ring Cavity*

ZHANG Wei1，2，TANG Jun1，2，LIU Lishuang1，2*
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

To reduce the influence of the temperature change of filter based on micro ring resonator，study temperature properties of micro-ring resonator，the simple ring and cascaded rings resonators based on silicon-on-insulator was designed and fabricated.The micro-ring resonators were heated by temperature controller and the transmission spectrum shift was observed via the vertical grating coupling method and the wavelength scanning way.From the theoretical analysis，experimental test and linear simulation，it has been concluded that the temperature coefficient is 105 pm/℃，97 pm/℃and 80 pm/℃，27 pm/℃in simple ring，double rings，triple rings and nine rings，respectively.In a word，the sensitivity to temperature is decreased and the temperature drift is inhibited with the increase of the number of rings.

temperature coefficient；silicon-on-insulator；micro-ring resonator；vertical grating coupling

O433；7230M

A

1004-1699（2016）08-1165-04

EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.08.007

项目来源：国家自然科学基金杰出青年基金（51225504）；国家自然科学基金重点支持项目（91123036）

2015-12-08修改日期：2016-04-01