radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-6-79-89radioelectronics-697Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА СВЧMICROWAVE ELECTRONICSИсследование оптических свойств микрокольцевых резонаторов, изготовленных по технологии кремний на изоляторе, методом оптической рефлектометрии обратного рассеянияInvestigation of the Optical Properties of Silicon-on-Insulator Microring Resonators Using Optical Backscatter Reflectometryhttps://orcid.org/0000-0001-8158-8827РябцевИ. А.RyabcevI. A.

Рябцев Илья Александрович – аспирант кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Ilya A. Ryabcev, Postgraduate Student of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

ryabcev.ilya@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3600-4946ЕршовА. А.ErshovA. A.

Ершов Александр Александрович – аспирант кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexander A. Ershov, Postgraduate Student of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aaershov@etu.ruРяйккененД. В.RyaikkenenD. V.

Ряйккенен Даниил Витальевич – студент 1-го курса магистратуры

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Daniil R. Ryaykkenen, 1st year Master Degree Student

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

dvryaykkenen@stud.etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-0630БуровихинА. П.BurovikhinA. P.

Буровихин Антон Павлович – аспирант кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Anton P. Burovikhin, Postgraduate Student of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

antonburovihin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8764-7100ГапончикР. В.HaponchykR. V.

Гапончик Роман Валерьевич – аспирант кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Roman V. Haponchyk, Postgraduate Student of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

ferumno33@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6320-9352ТаценкоИ. Ю.TatsenkoI. Yu.

Таценко Иван Юрьевич – аспирант кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Ivan Yu. Tatsenko, Postgraduate Student of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

abitur.tatsenko@mail.ruСташкевичА. А.StashkevichA. A.

Сташкевич Андрей Александрович – доктор физико-математических наук (1994), заслуженный профессор (2020) Галилеевского института Университета Сорбонна Париж Север, Лаборатория  физикохимических свойств материалов LSPM CNRS

авеню Ж. Б. Клемана, д. 99, Витальнез, 93430

Andrey A. Stashkevich, Dr Sci. (Eng.) (1994), Emeritus Professor (2020) of Institute Galilee, Université Sorbonne Paris Nord, Laboratoire des Sciences des Procedes et des Materiaux (LSPM CNRS)

99, J. B. Clement ave., Villetaneuse 93430

stachkevitch@univ-paris13.frhttps://orcid.org/0000-0002-4226-4341НикитинА. А.NikitinA. A.

Никитин Андрей Александрович – кандидат физико-математических наук (2011), доцент (2015) кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Andrey A. Nikitin, Can. Sci. (Phys.-Math.) (2011), Docent (2015), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aanikitin@etu.comhttps://orcid.org/0000-0002-7382-9210УстиновА. Б.UstinovA. B.

Устинов Алексей Борисович – доктор физико-математических наук (2012), доцент (2010) кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexey B. Ustinov, Dr Sci. (Phys.-Math.) (2012), Docent (2010), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

Ustinov_rus@yahoo.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationУниверситет Сорбонна Париж СеверФранцияUniversité Sorbonne Paris NordFrance2022281220222567989Copyright © Рябцев И.А., Ершов А.А., Ряйккенен Д.В., Буровихин А.П., Гапончик Р.В., Таценко И.Ю., Сташкевич А.А., Никитин А.А., Устинов А.Б., 20222022Рябцев И.А., Ершов А.А., Ряйккенен Д.В., Буровихин А.П., Гапончик Р.В., Таценко И.Ю., Сташкевич А.А., Никитин А.А., Устинов А.Б.Ryabcev I.A., Ershov A.A., Ryaikkenen D.V., Burovikhin A.P., Haponchyk R.V., Tatsenko I.Y., Stashkevich A.A., Nikitin A.A., Ustinov A.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/697Введение

Введение. Одним из перспективных методов определения параметров оптических кольцевых резонансных структур является метод рефлектометрии обратного рассеяния. Он позволяет экспериментально определять коэффициенты связи и потери на распространение. Однако экспериментальная проверка этого метода путем сопоставления данных, полученных в результате рефлектометрии и измерения оптическим векторным анализатором высокого разрешения, до настоящего времени не проводилась.

Цель работы

Цель работы. Определение параметров кремниевого микрокольцевого резонатора (МКР) методом оптической рефлектометрии обратного рассеяния. Расчет характеристик передачи исследуемого резонатора с использованием полученных параметров. Сопоставление результатов расчета передаточных характеристик с экспериментальными результатами измерения оптическим векторным анализатором высокого разрешения.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследуются характеристики МКР, изготовленного по технологии кремний на изоляторе. Для исследования параметров МКР использовался оптический рефлектометр обратного рассеяния. Для обработки полученной рефлектограммы применялась оригинальная теоретическая модель. Для исследования передаточных характеристик использовался оптический векторный анализатор. Численное моделирование передаточной характеристики с учетом полученных параметров резонатора проводилось с использованием оригинального аналитического подхода, основанного на методе парциальных волн.

Результаты

Результаты. В результате исследования были получены значения коэффициента связи по мощности κ = 0.167 и потерь на распространение α = 3.25 дБ/см. Полученные величины использовались для численного моделирования передаточных характеристик исследуемого резонатора, которые с высокой точностью совпадали с результатами эксперимента. В работе были определены межмодовый диапазон, который составил 88.8 ГГц, и добротность 45 000.

Заключение

Заключение. Работа посвящена экспериментальному исследованию параметров интегральных МКР, изготовленных по технологии кремний на изоляторе с использованием метода рефлектометрии обратного рассеяния. Сравнение экспериментальной и теоретической передаточных характеристик показало хорошее соответствие, что свидетельствует о высокой точности определения параметров резонатора и, как следствие, актуальности используемого метода.

Introduction

Introduction. Optical backscatter reflectometry is one of the most promising methods used to examine characteristic parameters relevant to the design of microring resonators. This method paves the way for experimental determination of the coupling coefficient and propagation loss. However, experimental verification of this technique by comparing the transmission characteristics obtained by reflectometry and those directly measured by an optical vector analyzer has not been carried out.

Aim

Aim. To determine the parameters of microring resonators by optical reflectometry and to calculate on their basis the transmission characteristics of microring resonators. To compare the calculated transmission characteristics with those obtained experimentally using a high-resolution vector analyzer.

Materials and methods

Materials and methods. The characteristic parameters of silicon-on-insulator microring resonators were investigated using an ultra-high resolution reflectometer. An original algorithm was employed to derive the characteristic parameters of microring resonators from reflectograms. An optical vector analyzer was used to study the transmission characteristics of microring resonators. Numerical modeling of transmission characteristics considering the obtained parameters was carried out according an analytical approach based on partial wave analysis.

Results

Results. The obtained values of the power coupling coefficient κ = 0.167 and propagation losses α = 3.25 dB/cm were used for numerical simulation of the transmission characteristics of a microring resonator. These characteristics were found to agree well with those obtained experimentally. The free spectral range of 88.8 GHz and Q-factor of 45 000 were determined.

Conclusion

Conclusion. An experimental study of the characteristic parameters of silicon-on-insulator microring resonators was conducted using an optical backscatter reflectometer. The performed comparison of the experimental and theoretical transmission characteristics showed good agreement, which indicates the high accuracy of the determined resonator parameters and, as a result, the relevance of the described method.

микрокольцевой резонаторрефлектометрия обратного рассеяниякремний на изолятореmicroring resonatorreflectometrysilicon on insulatorРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания № 075-01438-22-07 и гранта № FSEE-2022-0017.The work was carried out with the support of Ministry of Education and Science of Russian Federation (project no. 075-01438-22-07, grant no. FSEE-2022-0017).ReferencesSilicon Nitride in Silicon Photonics / D. J. Blumenthal, R. Heideman, D. Geuzebroek, A. Leinse, C. Roeloffzen // Proc. IEEE. 2018. Vol. 106, № 12. P. 2209–2231. doi: 10.1109/JPROC.2018.2861576Blumenthal D. J., Heideman R., Geuzebroek D., Leinse A., Roeloffzen C. Silicon Nitride in Silicon Photonics. Proc. IEEE. 2018, vol. 106, no. 12, pp. 2209– 2231. doi: 10.1109/JPROC.2018.2861576Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated microwave photonics // Nature Photon. 2019. Vol. 13, № 2. P. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated Microwave Photonics. Nature Photon. 2019, vol. 13, no. 2, pp. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5Xu Q., Lipson M. All-optical logic based on silicon micro-ring resonators // Optics Express. 2007. Vol. 15, № 3. P. 924–929. doi: 10.1364/OE.15.000924Xu Q., Lipson M. All-Optical Logic Based on Silicon Micro-Ring Resonators. Optics Express. 2007, vol. 15, no. 3, pp. 924–929. doi: 10.1364/OE.15.000924All-optical nonlinear switching in GaAs-AlGaAs microring resonators / V. Van, T. A. Ibrahim, K. Ritter, P. P. Absil, F. G. Johnson, R. Grover, J. Goldhar, P. T. Ho // IEEE Photonics Technology Letters. 2002. Vol. 14, № 1. P. 74–76. doi: 10.1109/68.974166Van V., Ibrahim T. A., Ritter K., Absil P. P., John-son F. G., Grover R., Goldhar J., Ho P. T. All-Optical Nonlinear Switching in GaAs-AlGaAs Microring Resonators. IEEE Photonics Technology Letters. 2002, vol. 14, no. 1, pp. 74–76. doi: 10.1109/68.974166Naweed A. Photonic coherence effects from dual-waveguide coupled pair of co-resonant microring resonators // Optics Express. 2015. Vol. 23, № 10. P. 12573–12581. doi: 10.1364/OE.23.012573Naweed A. Photonic Coherence Effects from Dual-Waveguide Coupled Pair of Co-Resonant Microring Resonators. Optics Express. 2015, vol. 23, no. 10, pp. 12573–12581. doi: 10.1364/OE.23.012573Compact multi-million Q resonators and 100 MHz passband filter bank in a thick-SOI photonics platform / B. Zhang, K. Al Qubaisi, M. Cherchi, M. Harjanne, Y. Ehrlichman, A. N. Khilo, M. A. Popović // Optics Letters. 2020. Vol. 45, № 11. P. 3005– 3008. doi: 10.1364/OL.395203Zhang B., Al Qubaisi K., Cherchi M., Harjanne M., Ehrlichman Y., Khilo A. N., Popović M. A. Compact Multi-Million Q Resonators and 100 MHz Passband Filter Bank in a Thick-SOI Photonics Platform. Optics Letters. 2020, vol. 45, no. 11, pp. 3005–3008. doi: 10.1364/OL.395203A continuously tunable sub-gigahertz microwave photonic bandpass filter based on an ultra-high-Q silicon microring resonator / H. Qiu, F. Zhou, J. Qie, Y. Yao, X. Hu, Y. Zhang, X. Xiao, Y. Yu, J. Dong, X. Zhang // J. of Lightwave Technology. 2018. Vol. 36, № 19. P. 4312–4318. doi: 10.1109/JLT.2018.2822829Qiu H., Zhou F., Qie J., Yao Y., Hu X., Zhang Y., Xiao X., Yu Y., Dong J., Zhang X. A Continuously Tunable Sub-Gigahertz Microwave Photonic Bandpass Filter Based on an Ultra-High-Q Silicon Microring Resonator. J. of Lightwave Technology. 2018, vol. 36, no. 19, pp. 4312–4318. doi: 10.1109/JLT.2018.2822829Label-free technologies for quantitative multiparameter biological analysis / A. J. Qavi, A. L. Washburn, J. Y. Byeon, R. C. Bailey // Analytical and bio-analytical chemistry. 2009. Vol. 394, № 1. P. 121–135. doi: 10.1007/s00216-009-2637-8Qavi A. J., Washburn A. L., Byeon J. Y., Bailey R. C. Label-Free Technologies for Quantitative Multiparameter Biological Analysis. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2009, vol. 394, no. 1, pp. 121–135. doi: 10.1007/s00216-009-2637-8Electro-optic modulation in integrated photonics / G. Sinatkas, T. Christopoulos, O. Tsilipakos, E. E. Kriezis // J. of Applied Physics. 2021. Vol. 130, № 1. P. 010901. doi: 10.1063/5.0048712Sinatkas G., Christopoulos T., Tsilipakos O., Kriezis E. E. Electro-Optic Modulation in Integrated Photonics. J. of Applied Physics. 2021, vol. 130, no. 1, p. 010901. doi: 10.1063/5.0048712Silicon microring modulator for 40 Gb/s NRZOOK metro networks in O-band / Z. Xuan, Y. Ma, Y. Liu, R. Ding, Y. Li, N. Ophir, A. Eu-Jin Lim, G.-Q. Lo, P. Magill, K. Bergman, T. Baehr-Jones, M. Hochberg // Optics Express. 2014. Vol. 22, № 23. P. 28284–28291. doi: 10.1364/OE.22.028284Xuan Z., Ma Y., Liu Y., Ding R., Li Y., Ophir N., Eu-Jin Lim A., Lo G.-Q., Magill P., Bergman K., Baehr-Jones T., Hochberg M. Silicon Microring Modulator for 40 Gb/s NRZ-OOK Metro Networks in O-Band. Optics Express. 2014, vol. 22, no. 23, pp. 28284–28291. doi: 10.1364/OE.22.028284Ultrafast nonlinear all-optical processes in silicon-on-insulator waveguides / R. Dekker, N. Usechak, M. Först, A. Driessen // J. of physics D: Applied physics. 2007. Vol. 40, № 14. P. R249. doi: 10.1088/0022-3727/40/14/R01Dekker R., Usechak N., Först M., Driessen A. Ultra-fast Nonlinear All-Optical Processes in Silicon-on-Insulator Waveguides. J. of Physics D: Applied Physics. 2007, vol. 40, no. 14, p. R249. doi: 10.1088/0022-3727/40/14/R01Optical bistable SOI micro-ring resonators for memory applications / A. A. Nikitin, I. A. Ryabcev, A. A. Nikitin, A. V. Kondrashov, A. A. Semenov, D. A. Konkin, A. A. Kokolov, F. I. Sheyerman, L. I. Babak, A. B. Ustinov // Optics Communications. 2022. Vol. 511. P. 127929. doi: 10.1016/j.optcom.2022.127929Nikitin A. A., Ryabcev I. A., Nikitin A. A., Kondrashov A. V., Semenov A. A., Konkin D. A., Kokolov A. A., Sheyerman F. I., Babak L. I., Ustinov A. B. Optical Bistable SOI Micro-Ring Resonators for Memory Applications. Optics Communications. 2022, vol. 511, p. 127929. doi: 10.1016/j.optcom.2022.127929Carrier-induced optical bistability in the silicon micro-ring resonators under continuous wave pumping / A. A. Nikitin, A. V. Kondrashov, V. V. Vitko, I. A. Ryabcev, G. A. Zaretskaya, N. A. Cheplagin, D. A. Konkin, A. A. Kokolov, L. I. Babak, A. B. Ustinov, B. A. Kalinikos // Optics Communications. 2021. Vol. 480. P. 126456. doi: 10.1016/j.optcom.2020.126456Nikitin A. A., Kondrashov A. V., Vitko V. V., Ryabcev I. A., Zaretskaya G. A., Cheplagin N. A., Konkin D. A., Kokolov A. A., Babak L. I., Ustinov A. B., Kalinikos B. A. Carrier-Induced Optical Bistability in the Silicon Micro-Ring Resonators under Continuous Wave Pumping. Optics Communications. 2021, vol. 480, p. 126456. doi: 10.1016/j.optcom.2020.126456Optical multistability in a cross-coupled double-ring resonator system / S. Zhuang, J. Feng, H. Liu, S. Yuan, Y. Chen, H. Zeng // Optics Communications. 2022. Vol. 507. P. 127637. doi: 10.1016/j.optcom.2021.127637Zhuang S., Feng J., Liu H., Yuan S., Chen Y., Zeng H. Optical Multistability in a Cross-Coupled Double-Ring Resonator System. Optics Communications. 2022, vol. 507, p. 127637. doi: 10.1016/j.optcom.2021.127637Ultrahigh Q SOI ring resonator with a strip waveguide / B. Mou, Y. Boxia, Q. Yan, W. Yanwei, H. Zhe, Y. Fan, W. Yu // Optics Communications. 2022. Vol. 505. P. 127437. doi: 10.1016/j.optcom.2021.127437Mou B., Boxia Y., Yan Q., Yanwei W., Zhe H., Fan Y., Yu W. Ultrahigh Q SOI Ring Resonator with a Strip Waveguide. Optics Communications. 2022, vol. 505, p. 127437. doi: 10.1016/j.optcom.2021.127437Gottesman Y., Rao E. V. K., Rabus D. G. New Methodology to Evaluate the Performance of Ring Resonators Using Optical Low-Coherence Reflectometry // J. of Lightwave Technology. 2004. Vol. 22, № 6. P. 1566–1572. doi: 10.1109/JLT.2004.829216Gottesman Y., Rao E. V. K., Rabus D. G. New Methodology to Evaluate the Performance of Ring Resonators Using Optical Low-Coherence Reflectometry. J. of Lightwave Technology. 2004, vol. 22, no. 6, pp. 1566–1572. doi: 10.1109/JLT.2004.829216An alternative methodology based on spectral analysis for a direct access to ring resonator parameters / . Gottesman, D. G. Rabus, E. V. K. Rao, B. E. Benkelfat // IEEE Photonics Technology Letters. 2009. Vol. 21, № 19. P. 1399–1401. doi: 10.1109/LPT.2009.2025603Gottesman Y., Rabus D. G., Rao E. V. K., Benkelfat B. E. An Alternative Methodology Based on Spectral Analysis for a Direct Access to Ring Resonator Parameters. IEEE Photonics Technology Letters. 2009, vol. 21, no. 19, pp. 1399–1401. doi: 10.1109/LPT.2009.2025603Compact and Highly Efficient Grating Couplers Between Optical Fiber and Nanophotonic Waveguides / F. Van Laere, G. Roelkens, M. Ayre, J. Schrauwen, D. Taillaert, D. Van Thourhout, F. Thomas Krauss, R. Baets // J. of Lightwave Technology. 2007. Vol. 25, № 1. P. 151–156.Van Laere F., Roelkens G., Ayre M., Schrauwen J., Taillaert, D., Van Thourhout D., Thomas Krauss F., Baets R. Compact and Highly Efficient Grating Couplers Between Optical Fiber and Nanophotonic Waveguides. J. of Light-wave Technology. 2007, vol. 25, no. 1, pp. 151–156.Taillaert D., Bienstman P., Baets R. Compact efficient broadband grating coupler for silicon-oninsulator waveguides // Optics Letters. 2004. Vol. 29, № 23. P. 2749–2757. doi: 10.1364/OL.29.002749Taillaert D., Bienstman P., Baets R. Compact Efficient Broadband Grating Coupler for Silicon-on-Insulator Waveguides. Optics Letters. 2004, vol. 29, no. 23, pp. 2749–2757. doi: 10.1364/OL.29.002749Nonlinear frequency response of the multiresonant ring cavities / A. A. Nikitin, V. V. Vitko, M. A. Cherkasskii, A. B. Ustinov, B. A. Kalinikos // Results in Physics. 2020. Vol. 18. P. 103279. doi: 10.1016/j.rinp.2020.103279Nikitin A. A., Vitko V. V., Cherkasskii M. A., Ustinov A. B., Kalinikos B. A. Nonlinear Frequency Response of the Multi-Resonant Ring Cavities. Results in Physics. 2020, vol. 18, p. 103279. doi: 10.1016/j.rinp.2020.103279Gerhard D. Integrated ring resonators: a Compendium. Germany: Springer, 2021. 490 p.Gerhard D. Integrated Ring Resonators: a Compendium. Germany, Springer, 2021, 490 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.