CN107727365B - 一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统，测量系统包括：一可调谐激光器，用于产生波长可调谐的激光；一光路环形装置，将可调谐激光器输出的光信号导入耦合装置并将耦合装置所收集的反射光导入光电探测器；一耦合装置，用于实现环形装置和待测波导之间的耦合；一光电探测器，将收集到的光功率转换成光电流，并输出至计算机。一控制计算机，用于控制可调谐激光器的波长变化，并采集来自光电探测器的光电流信号；一待测波导，用于进行损耗测量。本测量方法通过测量波导F‑P干涉反射谱的精细度，进而计算获得波导的实际损耗，系统结构简单，操作简便，精度高，可广泛应用于集成光学领域。

Description

一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统
技术领域
本发明涉及光电混合技术领域，特别指一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统。
背景技术
光波导(Optical waveguides)是集成光学系统中最重要的基本组件之一，不论是集成光路中的有源器件还是无源器件，它们的本质都是一个薄膜介质波导，特别对于谐振结构以及大规模集成光路来说，波导损耗直接决定着整个器件或系统的性能。波导损耗的定义为激光在波导中传播时，单位长度上光强的衰减比例，其单位为cm-1或dB/cm。为了准确的表征无源波导的损耗，需要一种精确、便捷、非破坏性、低成本的波导损耗测量方法。
关于波导损耗的非破坏性测量方法，目前主要包括以下几种：一、棱镜耦合法，即通过棱镜将激光耦合进波导，经一定距离的传输再耦合出波导，通过改变两棱镜间距即传播波导的长度获得出光功率的变化，其斜率即表征了波导的传播损耗。但是这种测量方法需要保证移动棱镜前后，波导和棱镜间的耦合系数不变，这在现实中是很难保证的，并且为了保证精确度，需要较长的无上覆盖层波导，在实际应用中有诸多的不便。二、背反射法，即通过透镜将激光耦合进波导端面，在波导另一端放置一定反射率的反光镜，通过测量透射光的光强以及反射后二次穿过波导的光强来确定单次波导传输过程中的损耗。但是这种测量方法无法排除耦合损耗，因此会有一部分不可排除的系统误差，同时两端透镜耦合的操作难度也较高，不适用于对损耗测试便捷性的要求。三、CCD成像法，即利用CCD拍摄光的传播方向上散射光强分布，通过曲线拟合得到损耗结果，例如专利“脊形光波导损耗CCD无损半自动测量方法及系统(申请号：201510990767.8)”。但是由于测量过程中会有外部本底光、杂散光、取样量化误差等等因素的影响，因此测量不够准确和便捷，系统成本也较高。四、微环精细度法，即将宽谱光源或可调谐激光器产生的激光耦合到一定结构的微环谐振腔中，通过其透射光谱的精细度来获得波导的损耗信息。但是这种方法无法排除弯曲损耗的影响，且需要定制微环结构的测试片，因此在实际应用中有一定的局限性。五、基于F-P干涉透射谱对比度的光波导损耗测量方法，其系统示意图见图1，即通过样品两端天然解理面或人为引入的反射镜，形成F-P腔，通过热变化、激光波长变化等方式改变干涉相位，在透射端获得光强-相位曲线，通过其峰值和谷值的对比度即可获得波导的损耗信息。相较于以上几种方法，该测量方法可以排除耦合损耗且测量精度可以得到保证，是目前最主流的片上波导损耗测量方法。但是由于其系统结构复杂，需要两端光纤耦合，操作难度较高，且很难排除衬底辐射光对损耗测试准确度的影响，因此无法完全满足精确、便捷、低成本的波导损耗测量需求。
根据对现有的波导损耗测试方法进行总结可以发现，目前主要的测试方法都无法兼顾精确、便捷、低成本等几种测量需求，实践中需要一种系统结构简单、光路调节简单、测试精度稳定的波导损耗测量方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了使光波导损耗测量同时兼顾精确、便捷、低成本的测量需求，本发明提供了一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统，与传统的测量方法相比，本发明可以通过更简单的系统结构，更便捷的光路调节系统，获得较为精确的波导损耗数据，可以广泛应用于各种结构的片上波导的损耗测试。
(二)技术方案
一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统，包括：光源、光路环形装置、耦合装置和光电探测器，其中，所述光路环形装置的第一端口接收光源发出的光，并将其由第二端口输出至耦合装置；所述耦合装置用于将所述光路环形装置第二端口的输出光耦合进待测波导，并收集待测波导的反射光，将所述反射光导入光路环形装置的第二端口；所述光路环形装置还用于接收耦合装置导入的反射光，并将所述反射光由光路环形装置的第三端口传输至光电探测器；所述光电探测器用于将接收到的光功率转换为光电流信号。
在本发明一些示例性实施例中，还包括控制装置，所述控制装置连接光源和光电探测器，用于对光源进行控制，使其进行波长扫描，并采集来自光电探测器的光电流信号。
在本发明一些示例性实施例中，所述光路环形装置为三路环形器，耦合装置为拉锥光纤。
在本发明一些示例性实施例中，光路环形装置为空间光分束器，耦合装置为透镜组合；所述可调谐激光器和空间光分束器之间设置有隔离器，用于防止待测波导的反射光进入可调谐激光器。
在本发明一些示例性实施例中，所述光源为可调谐激光器或宽谱光源。
在本发明一些示例性实施例中，所述耦合装置使用CCD成像系统或显微镜进行辅助对准。
在本发明一些示例性实施例中，所述控制装置为控制计算机。
在本发明一些示例性实施例中，所述待测波导的损耗公式为：其中，α为待测波导的波导损耗，F为光源在不同波长下的探测器光电流曲线(P-λ曲线)的精细度，FSR为P-λ曲线的自由光谱宽度，即曲线的周期，FWHM为P-λ曲线谷值处的半高全宽，L为通过自由光谱宽度求得的待测波导的长度，λ为光源的波长，ng为待测波导的群折射率，R为待测波导两端面的反射率。
在本发明一些示例性实施例中，所述待测波导采用两端面为自然解理面波导或两端面有确定折射率的镀膜波导，能够形成稳定的干涉。
在本发明一些示例性实施例中，所述待测波导为片上波导结构，包括脊波导、掩埋波导或掩埋脊波导；所述待测波导为直波导或弯曲波导。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1.与传统的基于F-P干涉透射谱对比度的光波导损耗测量方法(示意图见图1)相比，本发明提取了干涉的反射谱，因此测量系统仅需单侧的光学对准系统，极大地简化了系统的复杂度，并且降低了光学对准时的操作难度，与目前主流的测试方法相较优势较为明显；
2.本发明通过对F-P干涉反射谱的精细度进行分析，从而获得波导的损耗信息，测量过程中的背景噪声对测试精度没有影响，保证测量结果的精确性；
3.与传统的非干涉测量方法相比，干涉测量法可以排除耦合部分的影响，并且只要反射谱的曲线平滑，无明显毛刺出现，测量结果的可信度即可得到保证。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术特征，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。
图1为传统的基于F-P干涉透射谱对比度的波导损耗测量系统示意图。
图2为本发明实施例的一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统示意图；
图3为本发明实施例的光纤测量系统结构示意图；
图4为本发明实施例的空间光测量系统结构示意图；
图5为本发明实施例的反射光谱P-λ曲线示例及分析图；
图6为利用传统的基于F-P干涉透射谱对比度的波导损耗测量系统以及本发明实施例的利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统对一批波导损耗测量实例的结果对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明首次提出了一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统，系统结构简单、光路调节简单、测试精度稳定，
图2为本发明实施例的一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统示意图，如图2所示，测量系统包括：光源、光路环形装置、耦合装置、光电探测器和控制装置，其中，光路环形装置的第一端口接收光源发出的光，并将其由第二端口输出至耦合装置；耦合装置用于将光路环形装置第二端口的输出光耦合进待测波导，并收集待测波导的反射光，将反射光导入光路环形装置的第二端口；光路环形装置还用于接收耦合装置导入的反射光，并将反射光由光路环形装置的第三端口传输至光电探测器；光电探测器用于将接收到的光功率转换为光电流信号；控制装置连接光源和光电探测器，用于对光源进行控制，使其按照一定的步长进行波长扫描，并采集来自光电探测器的光电流信号。
光源为可调谐激光器或宽谱光源。
耦合装置可使用CCD成像系统或显微镜进行辅助对准。
控制装置能够由任意具有控制光源和采集光电探测器数据能力的软件进行编程控制。
待测波导采用两端面为自然解理面波导或两端面有确定折射率的镀膜波导，能够形成稳定的干涉。待测波导为片上波导结构，包括脊波导、掩埋波导或掩埋脊波导；待测波导为直波导或弯曲波导。
本发明的示例性实施例中，提出了两种结构的基于F-P干涉反射谱精细度表征光波导损耗的测量系统，分别为光纤测量系统和空间光测量系统。
本发明第一实施例提供一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的光纤测量系统，图3为本发明实施例的光纤测量系统的结构示意图，如图3所示，测量系统包括：可调谐激光器、三路环形器、拉锥光纤、光电探测器和控制计算机。
可调谐激光器，通过计算机对其进行控制，使其按照一定的步长进行波长扫描；
三路环形器，其(1)端口与可调谐激光器相连，(2)端口与拉锥光纤相连，(3)端口与光电探测器相连，(1)端口将来自可调谐激光器的光导入(2)端口的拉锥光纤并耦合进待测波导，(2)端口接收通过拉锥光纤收集的待测波导中的反射光，并导入(3)端口的光电探测器；
拉锥光纤，用于实现三路环形器(2)端口和待测波导之间的耦合，既完成将输入光从三路环形器(2)端口耦合入待测波导的功能，又完成输出光从待测波导耦合入三路环形器(2)端口的功能；
光电探测器，将收集到的光功率转换成光电流，并输出至控制计算机；
控制计算机，用于控制可调谐激光器进行波长变化，并采集来自光电探测器的光电流信号；
待测波导，其两端面为自然解理面，能够形成稳定的干涉，用于进行损耗测量。
本发明第二实施例提供一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的空间光测量系统，图4为本发明实施例的空间光测量系统的结构示意图，如图4所示，测量系统包括：可调谐激光器、隔离器、空间光分束器、透镜、光电探测器和控制计算机。
可调谐激光器，通过控制计算机对其进行控制，使其按照一定的步长进行波长扫描；
空间光分束器，成45°放置，用于将可调谐激光器输入的光透射至透镜从而耦合入待测波导，又将透镜收集的来自待测波导中的反射光部分反射至光电探测器。
透镜组合，用于实现空间光分束器右侧和待测波导之间的耦合，既完成将输入光从空间光分束器耦合入待测波导的功能，又完成输出光从待测波导耦合入空间光分束器的功能；
隔离器，设置在可调谐激光器和空间光分束器之间，用于隔离来自待测波导的反射光进入可调谐激光器；
光电探测器，将收集到的光功率转换成光电流，并输出至控制计算机；
控制计算机，用于控制可调谐激光器进行波长变化，并采集来自光电探测器的光电流信号；
待测波导两端面为自然解理面，能够形成稳定的干涉，用于进行损耗测量。
该测量系统得到的反射光谱P-λ曲线示例及分析图参照图5，P-λ曲线(光电流-波长曲线)为在一定范围内周期性连续变化的类正弦曲线，其谷值(Imin)处的精细度(F)与波导损耗之间存在确定数学关系，测量时通过测量谷值处的半高全宽(FWHM)来求得曲线的精细度，其自由光谱宽度(FSR)即可表征待测波导的长度。经推导可计算出损耗公式如下：
波导损耗：
其中，
其中FSR为曲线的自由光谱宽度，即曲线的周期；FWHM为曲线谷值处的半高全宽；F为曲线的精细度；L为通过自由光谱宽度求得的待测波导的长度；λ为可调谐激光器的波长；ng为待测波导的群折射率；R为待测波导两端面的反射率；α为最终求得的波导损耗。
为了验证本发明提供的波导损耗测量系统的可靠性，分别采用本发明的测量系统和传统的透射对比度法对一批波导的损耗进行实例测量。待测波导样品为InGaAsP/InP浅刻蚀波导，波导制备条件如下：在n掺杂InP衬底上进行外延生长，材料结构从下至上顺序依次为1μm的本征InP层、400nm的本征1.2Q的InGaAsP波导芯层、1μm的本征InP盖层。通过ICP刻蚀(电感耦合等离子体刻蚀)刻蚀出波导宽度为3μm、4μm、5μm的浅刻蚀波导(刻蚀到芯层中间)。通过自然解理截出波导长度约为4mm的待测波导，其两自然解理端面的反射率均为0.33，通过仿真得到其波导群折射率为3.632，与传统的基于F-P干涉透射谱对比度的光波导损耗测量方法(示意图见图1，以下简称为透射对比度法)进行对比测试，具体数据如下表：
两种测量方法的测量结果对比图见图6，由图表的对比可知，本发明利用反射谱精细度测量光波导损耗的方法的测量结果与传统的透射对比度法的测量结果十分接近，通过本实施例可以证明该测量方法的可靠性。
以上实施例可以看出，与传统的基于F-P干涉透射谱对比度的光波导损耗测量方法相比，本发明提取了干涉的反射谱，因此测量系统仅需单侧的光学对准系统，极大地简化了系统的复杂度，并且降低了光学对准时的操作难度，与目前主流的测试方法相较优势较为明显。本发明通过对F-P干涉反射谱的精细度进行分析，从而获得波导的损耗信息，测量过程中的背景噪声对测试精度没有影响，保证测量结果的精确性。与传统的非干涉测量方法相比，干涉测量法可以排除耦合部分的影响，并且只要反射谱的曲线平滑，无明显毛刺出现，测量结果的可信度即可得到保证。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用反射谱精细度测量光波导损耗的系统，包括：光源、光路环形装置、耦合装置和光电探测器，其中，
所述光路环形装置的第一端口接收光源发出的光，并将其由第二端口输出至耦合装置；
所述耦合装置用于将所述光路环形装置第二端口的输出光耦合进待测波导，并收集待测波导的反射光，将所述反射光导入光路环形装置的第二端口；
所述光路环形装置还用于接收耦合装置导入的反射光，并将所述反射光由光路环形装置的第三端口传输至光电探测器；
所述光电探测器用于将接收到的光功率转换为光电流信号；
其中，所述待测波导的损耗公式为：
其中，α为待测波导的波导损耗，F为光源在不同波长下的探测器光电流曲线的精细度，FSR为所述探测器光电流曲线的自由光谱宽度，即曲线的周期，FWHM为所述探测器光电流曲线谷值处的半高全宽，L为通过自由光谱宽度求得的待测波导的长度，λ为光源的波长，ng为待测波导的群折射率，R为待测波导两端面的反射率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，还包括控制装置，所述控制装置连接光源和光电探测器，用于对光源进行控制，使其进行波长扫描，并采集来自光电探测器的光电流信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光路环形装置为三路环形器，耦合装置为拉锥光纤。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光源为可调谐激光器或宽谱光源。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，光路环形装置为空间光分束器，耦合装置为透镜组合；
所述可调谐激光器和空间光分束器之间设置有隔离器，用于防止待测波导的反射光进入可调谐激光器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述耦合装置使用CCD成像系统或显微镜进行辅助对准。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制装置为控制计算机。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述待测波导采用两端面为自然解理面波导或两端面有确定折射率的镀膜波导，能够形成稳定的干涉。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，
所述待测波导为片上波导结构，包括脊波导、掩埋波导或掩埋脊波导；
所述待测波导为直波导或弯曲波导。
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