CN101206155A - 光波导传输损耗的测量方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光波导传输损耗的测量方法，构成测量路径的测量设备包括光源、含有三条或者三条以上待测量光波导的光波导芯片和探测设备，所述测量设备还包括一个3dB的光纤分束器和一个光纤合束器，测量时光源的输出光经3dB的光纤分束器后分别耦合到光波导芯片的第一条和第二条光波导中，其输出光分别耦合到光纤合束器的两个输入端，合束后输出到探测设备以测量形成的马赫-曾德尔干涉光谱，随后把第二条和第三条光波导配对、第一条和第三条光波导配对，接入到测量路径中重复上述测量，根据测量得到的三条干涉光谱，利用光波导传输损耗对干涉光谱的影响关系，可以推定出光波导的净传输损耗。本发明能把附加损耗排除，求得的光波导传输损耗更为准确。

Description

光波导传输损耗的测量方法和测量装置

技术领域

本发明涉及一种光波导的测量方法，尤其是一种通过测量干涉光谱求出光波导净传输损耗的测量方法。

本发明还涉及用于上述方法的测量装置。

背景技术

在集成光学领域中，光波导是构造集成光电子器件的基础，传输损耗的大小直接关系到光电子器件的性能。因此，精确获知光波导的传输损耗对于构造高质量的集成光学器件、提高微纳米加工的工艺水平具有极为重要的作用。

目前广泛采用的测量光波导传输损耗的方法是截断法(cut-backmethod)，如图1所示。由于不同长度的光波导的传输损耗不同导致光纤对光纤的测量时其总插入损耗也不相同。利用波导长度与总体插入损耗的依赖关系，就可以得出待测量波导单位长度的传输损耗。具体的做法是：首先在同一光波导芯片上加工出不同长度的待测量波导，然后利用光源、光纤和光信号探测设备测量每一条波导的总插入损耗，根据测量得到的数值做出总插入损耗与待测量波导长度的依赖图线，该图线的斜率即为待测量光波导单位长度的传输损耗。

这种方法对于大尺寸的光波导是比较准确的，但是，当波导尺寸减小到亚微米甚至纳米量级，往往需要在待测量的波导的两端附加一个宽度逐渐变大的锥形波导(taper)以减小与光纤的耦合损耗，这样一来，锥形波导引入的损耗就会附加在待测量波导的传输损耗中，导致获得的数值不够准确。

发明内容

针对上述已有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光波导传输损耗的测量方法。

本发明的又一目的在于提供一种用于实现上述测量方法的测量装置。

为实现上述目的，本发明提供的光波导传输损耗的测量方法，其步骤如下：

A)将光波导芯片中的光波导按排列组合中不重复组合C_n ²的方式进行组合，其中n为光波导的条数；

B)光源经过3dB的光纤分束器均分为功率相等的两束光后，分别耦合到光波导芯片中按C_n ²的方式组合的其中一组光波导中，该组输出光分别耦合到光纤合束器的两个输入端，合束后输出到光信号探测器以测量所形成的第一条马赫-曾德尔干涉光谱；

C)光源经过3dB的光纤分束器均分为功率相等的两束光后，分别耦合到光波导芯片中按C_n ²的方式组合的另外一组光波导中，该组输出光分别耦合到光纤合束器的两个输入端，合束后输出到光信号探测器以测量所形成的第二条马赫-曾德尔干涉光谱；

D)依序接入光波导芯片中按C_n ²的方式组合的各组光波导，重复步骤A或B的测量，得到多条马赫-曾德尔干涉光谱；

E)根据测量得到的多条马赫-曾德尔干涉光谱，利用光波导传输损耗对干涉光谱的影响关系，推定出光波导的净传输损耗。

本发明提供的实现上述测量方法的测量装置，包括光源、光波导芯片和光信号探测器；

其中光波导芯片含有至少三条光波导；

光波导芯片的其中一侧的光路上设有一3dB的光纤分束器，光源经过光纤分束器均分为功率相等的两束光后，分别耦合到光波导芯片的两条光波导中；

光波导芯片的另一侧的光路上设有一光纤合束器，从光波导芯片中的两条光波导输出的光分别耦合到光纤合束器的两个输入端，合束后输出到光信号探测器以测量所形成的马赫-曾德尔干涉光谱。

所述的光波导传输损耗的测量装置，其中，光纤分束器的两个输出端和光纤合束器的两个输入端制成圆锥形以减小与光波导芯片的耦合损耗并提高测量精度。

所述的光波导传输损耗的测量装置，其中，光波导芯片的输入和输出端进行抛光以减小与光纤分束器和光纤合束器的耦合损耗提高测量精度。

所述的光波导传输损耗的测量装置，其中，光纤分束器和光波导芯片之间、光纤合束器和光波导芯片之间采用光纤阵列。

所述的光波导传输损耗的测量装置，其中，光纤分束器、光纤合束器与光纤阵列采用法兰盘光纤转接头相接。

采用本发明的光波导传输损耗的测量方法，能把除光波导传输损耗外的附加损耗，比如光纤与光波导芯片的耦合损耗、光波导中非待测量部分的传输损耗排除，推定出极为准确的光波导净传输损耗。此外，与普通的截断法相比，本发明的测量方法并没有增加任何的工艺难度，只需在测量光路中增加采用价格十分低廉的光纤分束器和光纤合束器。

附图说明

图1为公知技术的测量光波导传输损耗的截断法示意图；

图2为本发明实施例一的测量光波导传输损耗的干涉谱测量法的示意图；

图3为本发明实施例二的测量光波导传输损耗的干涉谱测量法的示意图；

图面标记说明：1-光源；2-光波导芯片；2₁-第一条待测量的光波导；2₂-第二条待测量的光波导；2₃-第三条待测量的光波导；3-3dB的光纤分束器；4-光纤合束器；5-光信号探测器；6₁-输入端的光纤阵列；6₂-输出端的光纤阵列；7₁-光纤转接头；7₂-纤转接头；7₃-纤转接头；7₄-纤转接头。

具体实施方式

本发明要解决的技术问题在于提供一种光波导传输损耗的测量方法，能把除光波导传输损耗之外的附加损耗排除，推定出极为准确的光波导净传输损耗。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量光波导传输损耗的干涉光谱测量法，构成测量路径的测量设备包括光源1、含有至少三条待测量光波导的光波导芯片2和光信号探测器5；光波导按排列组合中不重复组合C_n ²的方式进行组合，其中n为光波导的条数(本例是以三条光波导为例)。测量设备还包括一个3dB的光纤分束器3和一个光纤合束器4。测量时光源的输出光经过光纤分束器均分为功率相等的两束光后，分别耦合到光波导芯片的第一条光波导2₁和第二条光波导2₂中，其输出光分别耦合到光纤合束器的两个输入端，合束后输出到光信号探测器以测量所形成的马赫-曾德尔干涉光谱；然后把第二条光波导2₂和第三条光波导2₃配对、第一条光波导2₁和第三条光波导2₃配对接入到测量路径中，重复上述马赫-曾德尔干涉光谱的测量；根据测量得到的三条干涉光谱，利用光波导传输损耗对干涉光谱的影响关系，可以推定出光波导的净传输损耗。

而且，光波导传输损耗的测量方法中，光纤分束器的两个输出端和光纤合束器的两个输入端均可以拉成圆锥形以减小与光波导芯片的耦合损耗、提高测量精度。

而且，光波导传输损耗的测量方法中，光波导芯片的输入和输出端可以进行抛光以减小与光纤分束器和光纤合束器的耦合损耗、提高测量精度。

而且，光波导传输损耗的测量方法中，光纤分束器和所述光纤合束器与所述光波导芯片耦合时应使光耦合效率达到最大，以降低由于对准偏差引起的两次干涉光谱测量结果的误差。

而且，光波导传输损耗的测量方法中，可以在测量路径的光纤分束器和光波导芯片之间、光纤合束器和光波导芯片之间采用光纤阵列，以降低光波导芯片与光纤分束器和光纤合束器耦合时获得最大化耦合效率的位置调节难度。

而且，光波导传输损耗的测量方法中，除了测量所述两条干涉光谱外，还可以测量其他多条马赫-曾德尔干涉光谱，根据多次测量结果取平均值，进一步提高光波导净传输损耗的测量精度。

下面结合附图，详细叙述本发明的具体实施方案。

实施例一

如图2所示，为了测试某种类型的光波导的传输损耗，首先通过微纳米加工技术在一个半导体芯片2上制作出三条总长度均为2毫米、待测量光波导长度分别为100微米、500微米和900微米的光波导2₁、2₂、2₃，用于与光纤实现较高效率耦合的锥形光波导其长度为500微米，因此，宽波导的总长度分别为900微米、500微米和100微米。

如果感兴趣的光波长为光通信所用的1550纳米，测量时可以用以该波长为中心的宽带光源作为测试光源，用一个高分辨率的光谱分析仪5作为光信号检测器，测量所用的3dB光纤分束器3和光纤合束器4均可以从市场上购买。

测量时把光纤分束器的输入端接入宽带光源，该光纤分束器的两个输出端分别与长度为100微米和长度为500微米的光波导耦合，调整光纤输入端与光波导芯片的相对位置，使二者达到最大效率的光耦合，同时使得散射光引起的噪声信号的干扰达到最小。从这两条光波导输出的光分别耦合到光纤合束器的两个输出端，同样需要使二者的耦合效率达到最大。光纤合束器的输出端接入光谱分析议检测探测到的光信号。此时，在光谱分析议上应该能看到余弦型的振荡曲线，因为获得的干涉光谱是波长的余弦函数(其原理将在下面论述)。记下该曲线的振幅等特征值。

接着，把长度为500微米和900微米的待测量波导接入到光路中，两端分别与光纤分束器的输出端和光纤合束器的输入端耦合，同样需要调整光波导芯片与光纤的相对位置使耦合效率达到最大。此时相当于把长度为500微米和800微米的光波导构成了马赫-曾德尔干涉仪的两个干涉臂，从光谱仪上记录检测到另一条干涉曲线。该曲线的振荡周期与前一曲线相同，但是振幅并不相同。

最后，把长度为100微米和900微米的待测量波导接入到光路中，重复同样的干涉光谱测量，得到第三条干涉曲线，记下其振幅。

把第一条干涉曲线的振幅与第二条干涉曲线的振幅相除，得到比值t₁；把第二条干涉曲线的振幅与第三条干涉曲线的振幅相除，得到比值t₂，则待测量光波导的传输损耗系数α(cm^-1)可以从下面的式子求出：

$\mathrm{\α}=\frac{\ln (t_1\·t_2)-\frac{2}{\mathrm{\ΔL}}[d_3-\frac{1}{2}(d_1+d_2)]\ln \frac{t_1}{t_2}}{2(L-2T)}=\frac{\ln (t_1\·t_2)-\frac{2}{L_2-L_1}[\frac{1}{2}(L_1+L_2)-L_3]\ln \frac{t_1}{t_2}}{2(L-2T)}$

其中，T＝500微米，L₁＝100微米，L₂＝500微米，L₃＝900微米。α求出来后，利用传输损耗系数与单位长度的光波导传输损耗的如下关系，就能求出单位长度的光波导的传输损耗：

损耗(dB/cm)＝4.343·α(cm^-1)

本发明实施例的光波导传输损耗的测量方法其原理详细叙述如下。

为了确知某种类型的光波导的传输损耗，在同一个芯片上加工出三条总长度相同、锥形波导长度也相同而待测量波导长度不同的光波导。假定三条长度不同的待测量波导L₁，L₂和L₃，锥形波导的总长度均为T，而锥形波导外、用于与光纤耦合的宽波导的长度分别设为d₁、d₂和d₃。假设从光源输出的光功率为P_in，经由3dB的光纤分束器分别耦合到第一条光波导和的第二条光波导中，由该光纤分束器引入的相位差为

则进入到两条光波导中的光电场可以表示为：

$E_2=\sqrt{2P_{\mathrm{in}}}/2\exp \left[\mathrm{j\ωt}\right]$

式中ω为光电场的角频率。

设光纤分束器与光波导芯片的幅值耦合效率为η，锥形波导的损耗因子为χ_tap，宽波导、锥形波导和待测量波导的传播常数分别为β₃，β₂，β₁，α为待测量波导的损耗系数，则两束光分别经过长度分别为L₁，L₂的光波导后，光电场的复振幅分别可以写成：

$E_2^{\′}={\mathrm{\χ}}_{\mathrm{tap}}\mathrm{\η}\sqrt{2P_{\mathrm{in}}}/2\exp \left[\mathrm{j\ωt}\right]\exp [-j({\mathrm{\β}}_1{L}_2+{\mathrm{\β}}_{2}T+{\mathrm{\β}}_3{d}_2)]\exp [-\mathrm{\α}{L}_2/2-{\mathrm{\α}}_0{d}_2/2]$

波导的总长度L＝L₁+T+d₁＝L₂+T+d₂＝常数，式中α₀为宽波导的传输损耗。从两条波导输出的光经合束器合束后，输出光的能量可以表示为：

P₁＝|E′₁+E′₂|²

上式经展开整理得到：

$\frac{P_1}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{1}{4}{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{tap}}^2[\exp (-\mathrm{\α}{L}_1-{\mathrm{\α}}_0{d}_1)+\exp (-\mathrm{\α}{L}_2-{\mathrm{\α}}_0{d}_2)]$

$+\frac{1}{2}{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{tap}}^2\exp [-\mathrm{\α}(L_1+L_2)/2-{\mathrm{\α}}_0(d_1+d_2)/2]\cos \left[\mathrm{\ΔL}({\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_3)\right]$

其中ΔL＝L₂-L₁为待测量波导的长度差。

从上式可以看出，光信号探测设备测量到的干涉光谱是以功率为

$\frac{1}{4}{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{tap}}^2[\exp (-\mathrm{\α}{L}_1-{\mathrm{\α}}_0{d}_1)+\exp (-\mathrm{\α}{L}_2-{\mathrm{\α}}_0{d}_2)]$

的直线为中心线、以

$\frac{1}{2}{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{tap}}^2\exp [-\mathrm{\α}(L_1+L_2)/2-{\mathrm{\α}}_0(d_1+d_2)/2]$

为振幅进行的余弦振荡。

接着测量以长度分别为L₂和L₃为干涉臂构成的干涉曲线，获得的干涉光谱将具有与上式类似的表达式，在此略去。把得到的三条干涉曲线两两相除，得到：

$\frac{P_1}{P_2}=\frac{\exp [-\mathrm{\α}(L_1+L_2)/2-{\mathrm{\α}}_0(d_1+d_2)/2]}{\exp [-\mathrm{\α}(L_1+L_3)/2-{\mathrm{\α}}_0(d_1+d_3)/2]}=t_1$

$\frac{P_1}{P_3}=\frac{\exp [-\mathrm{\α}(L_1+L_2)/2-{\mathrm{\α}}_r(d_1+d_2)/2]}{\exp [-\mathrm{\α}(L_2+L_3)/2-{\mathrm{\α}}_0(d_2+d_3)/2]}=t_2$

把上面两式分别取对数，有：

lnt₁＝α(L₃-L₂)/2+α₀(d₃-d₂)/2

lnt₂＝α(L₃-L₁)/2+α₀(L₃-L₁)/2

再把上面两式分别相加相减，得到：

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0-\frac{2}{\mathrm{\ΔL}}\ln \frac{t_1}{t_2}={\mathrm{\α}}_0+\frac{2}{\mathrm{\ΔL}}\ln \frac{t_2}{t_1}$

$\ln (t_1\·t_2)=\mathrm{\α}[L_3-\frac{1}{2}(L_1+L_2)]+{\mathrm{\α}}_0[d_3-\frac{1}{2}(L_1+L_2)]$

考虑到绝大多数情况下α₀＜＜α，即α0的项均可以略去，由上面两式最终推导出：

$\mathrm{\α}=\frac{\ln (t_1\·t_2)-\frac{2}{\mathrm{\ΔL}}[d_3-\frac{1}{2}(d_1+d_2)]\ln \frac{t_1}{t_2}}{2(L-2T)}=\frac{\ln (t_1\·t_2)-\frac{2}{L_2-L_1}[\frac{1}{2}(L_1+L_2)-L_3]\ln \frac{t_1}{t_2}}{2(L-2T)}$

从上述公式可以看出，只要测量出两条干涉光谱，根据光波导芯片上光波导的总长度L、锥形波导的长度T以及三条待测量波导的长度L₁，L₂和L₃，就能把待测量光波导的损耗系数α求出，且排除了锥形波导的损耗、光纤与光波导芯片的耦合损耗等损耗因素，因此，求出的光波导净传输损耗比现有技术截断法的测量结果精确。

如果公式中T，L，L₁，L₂和L₃均采用厘米为长度单位，则光波导的传输损耗系数α的单位相应为cm^-1，利用下面的公式可以求出光波导单位长度的传输损耗：

损耗(dB/cm)＝4.343·α(cm^-1)

实施例二

图3是本发明实施例二的示意图，与实施例一相比，不同之处在于，在光纤分束器3与光波导芯片1之间、光纤合束器4与光波导芯片1之间各插入了一个光纤阵列6₁和6₂，其目的是减小光纤与光波导芯片直接耦合时的损耗，从而减小总体的插入损耗，以提高测量精度。光纤分束器、光纤合束器与光纤阵列可以采用法兰盘等光纤转接头7₁、7₂、7₃、7₄相接。其余的测量步骤与计算过程与图2相同。这种方案比较适合测量光波导传输损耗较小、而与光纤的耦合损耗较大的情况。

Claims (6)

1.一种光波导传输损耗的测量方法，其步骤如下：

A)将光波导芯片中的光波导按排列组合中不重复组合C_n ²的方式进行组合，其中n为光波导的条数；

B)光源经过3dB的光纤分束器均分为功率相等的两束光后，分别耦合到光波导芯片中按C_n ²的方式组合的其中一组光波导中，该组输出光分别耦合到光纤合束器的两个输入端，合束后输出到光信号探测器以测量所形成的第一条马赫-曾德尔干涉光谱；

C)光源经过3dB的光纤分束器均分为功率相等的两束光后，分别耦合到光波导芯片中按C_n ²的方式组合的另外一组光波导中，该组输出光分别耦合到光纤合束器的两个输入端，合束后输出到光信号探测器以测量所形成的第二条马赫-曾德尔干涉光谱；

D)依序接入光波导芯片中按C_n ²的方式组合的各组光波导，重复步骤A或B的测量，得到多条马赫-曾德尔干涉光谱；

E)根据测量得到的多条马赫-曾德尔干涉光谱，利用光波导传输损耗对干涉光谱的影响关系，推定出光波导的净传输损耗。

2.一种实现权利要求1所述测量方法的测量装置，包括光源、光波导芯片和光信号探测器；

其中光波导芯片含有至少三条光波导；

光波导芯片的其中一侧的光路上设有一3dB的光纤分束器，光源经过光纤分束器均分为功率相等的两束光后，分别耦合到光波导芯片的两条光波导中；

光波导芯片的另一侧的光路上设有一光纤合束器，从光波导芯片中的两条光波导输出的光分别耦合到光纤合束器的两个输入端，合束后输出到光信号探测器以测量所形成的马赫-曾德尔干涉光谱。

3.根据权利要求2所述的光波导传输损耗的测量装置，其中，光纤分束器的两个输出端和光纤合束器的两个输入端制成圆锥形以减小与光波导芯片的耦合损耗并提高测量精度。

4.根据权利要求2所述的光波导传输损耗的测量装置，其中，光波导芯片的输入和输出端进行抛光以减小与光纤分束器和光纤合束器的耦合损耗提高测量精度。

5.根据权利要求2所述的光波导传输损耗的测量装置，其中，光纤分束器和光波导芯片之间、光纤合束器和光波导芯片之间采用光纤阵列。

6.根据权利要求5所述的光波导传输损耗的测量装置，其中，光纤分束器、光纤合束器与光纤阵列采用法兰盘光纤转接头相接。

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