Исследование оптических свойств микрокольцевых резонаторов, изготовленных по технологии кремний на изоляторе, методом оптической рефлектометрии обратного рассеяния

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. 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. 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. 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. 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.

1. Silicon 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.2018.2861576

2. Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated microwave photonics // Nature Photon. 2019. Vol. 13, № 2. P. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5

3. Xu 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.15.000924

4. All-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: 10.1109/68.974166

5. Naweed 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.23.012573

6. Compact 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.395203

7. A 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.2018.2822829

8. Label-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/s00216-009-2637-8

9. Electro-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: 10.1063/5.0048712

10. Silicon 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.22.028284

11. Ultrafast 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/R01

12. Optical 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.2022.127929

13. Carrier-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.2020.126456

14. Optical 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.2021.127637

15. Ultrahigh 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.2021.127437

16. Gottesman 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.2004.829216

17. An 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.2009.2025603

18. Compact 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.

19. 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.29.002749

20. Nonlinear 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.2020.103279

21. Gerhard D. Integrated ring resonators: a Compendium. Germany: Springer, 2021. 490 p.