CN107907058A - 一种光学元器件厚度的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元器件厚度的测量装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算器，宽谱光源输出端连接第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的一个输出端与待测光学器件安装座连接，待测光学器件安装座的输出光和第一光纤耦合器的输出光经过第二光纤耦合器合束，第一光纤耦合器、待测光学器件安装座和第二光纤耦合器构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，本发明的测量灵敏度可达微米级，具有很好的应用前景。

Description

一种光学元器件厚度的测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，具体为一种光学元器件厚度的测量装置。

背景技术

厚度是光学元器件的重要参数之一，尤其是具有双折射特性的光学元器件，其厚度直接决定了其用于在光学波片、光延迟、激光测量等方面的应用效果。光学元器件厚度是表征物质光学物质特性的基本物理量，该参数是决定物质合成、制造和在各领域中应用的重要条件。

目前对于光学元器件厚度的测量方法主要有物理测量法、光干涉法和磁控溅射射频方法等，这些方法往往存在测量系统的厚度测量灵敏不高的缺陷，不能满足精确测量的要求，因此本发明提出一种基于微波光子技术的光学元器件厚度的测量方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有厚度测量装置测量灵敏度不高的缺陷，提供一种光学元器件厚度的测量装置，从而解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明为一种光学元器件厚度的测量装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算器，宽谱光源输出端连接第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的一个输出端与待测光学器件安装座连接，待测光学器件安装座的输出光和第一光纤耦合器的输出光经过第二光纤耦合器合束，第一光纤耦合器、待测光学器件安装座和第二光纤耦合器构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机。

作为本发明的一种优选技术方案，电光调制器、色散光纤、高速光电探测器、低噪放和微波功分器组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与马赫曾德干涉仪的输出端相连接，能够将马赫曾德干涉仪输出端产生的正弦梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号。

作为本发明的一种优选技术方案，宽谱光源经马赫曾德干涉仪后，当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，且该干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱，由光电振荡器产生的微波信号通过电光调制器被调制到干涉梳状光谱上，形成光载微波信号传输到下一装置。

作为本发明的一种优选技术方案，宽谱光源可采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高。

本发明所达到的有益效果是：本发明为一种光学元器件厚度的测量装置，通过第一光纤耦合器，待测光学器件安装座和第二光纤耦合器构成马赫曾德干涉仪，使得宽谱光源经该干涉仪后，当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，该干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱；通过电光调制器，色散光纤，高速光电探测器，低噪放和微波功分器构成光电振荡器环路，将光信号装换成微波信号并测量输出微波信号的中心频率；通过设置的待测光学器件安装座，能够在待测光学元器件插入后改变马赫曾德干涉仪光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测光学元器件的厚度；本发明提出了一种新的光学元器件和薄膜厚度的测量方法，测量系统的厚度测量灵敏度可达微米级，具有很好的应用前景。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明系统框架结构示意图。

图中标号：101：宽谱光源；102：光纤起偏器；103：光纤耦合器；104：待测光学器件安装座；105：电光调制器；106：待测光学元器件；107：光纤耦合器；108：色散光纤；109：高速光电探测器；201：低噪放；202：微波功分器；203：频谱仪；204：计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：如图1所示，本发明提供一种光学元器件厚度的测量装置，宽谱光源101(可采用高斯型或矩形宽谱光源)经光纤起偏器102后进入一光纤耦合器103。该光纤耦合器的一个输出端和待测光学器件安装座104连接，测量时将待测光学元器件106插入到该安装座中进行测量。光纤耦合器103的另一路光进入一电光调制器105，该调制器的输出光和待测光学器件安装座104的输出光经过光纤耦合器107合束。光纤耦合器103，待测光学器件安装座104，电光调制器105和光纤耦合器107构成一个马赫曾德干涉仪。该干涉仪的两臂的两路光通过光纤耦合器合路后进入色散补偿光纤108，两路光经色散补偿光纤后将产生延时，经过延时的光信号通过高速光电探测器109实现光电转换并通过低噪放201放大，放大后的微波信号经过微波功分器202后分成两路，一路注入到电光调制器105中，从而将电光调制器105，光纤耦合器107，色散补偿光纤108，高速光电探测器109，低噪放201和功分器202组成一个光电振荡器环路，使得环路有微波信号产生，并且该微波信号的输出频率与马赫曾德干涉仪的两臂光程差有关。由光电振荡器产生的微波信号通过电光调制器105被调制到光域上，该光载微波信号经过色散补偿光纤108后入射到高速光电探测器109上，该探测器将光信号装换成微波信号，该微波信号通过低噪放201放大后经过一个微波功分器202功分后，一部分微波信号注入到电光调制器105中，一部分信号通过频谱仪203来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率并通过计算机204来记录该微波信号中心频率的变化。

具体的，本发明为一种光学元器件厚度的测量装置，具体测量原理如下：通过将待测光学元器件203插入到103中前后改变了马赫曾德干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测光学元器件的厚度。

宽谱光源101的电场可表示为：

式中ω为光源频率。则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (2)

光源经干涉以后，光路1通过一待测光学元器件后，各光谱成份产生了一定的延时，在频域上可表示为：

E₁(ω)＝A₁E(ω)e^jωΔτ (3)

上式中A₁为光路1的幅度衰减系数，Δτ为待测光学元器件引入的延迟量，可表示为：

式中c为光速，n为光纤折射率，d为待测光学元器件的厚度。干涉仪的光路2被射频信号调制，被调制后的光在频域上可表示为：

上式中A₂为光路2的幅度衰减系数，ξ为射频信号的角频率，为调制的载波和边带之间的相位差。两路光经过干涉仪的第二个耦合器后，输出为：

干涉仪的输出经过一段色散光纤106延时后，光载波发生了一个时延，该时延线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为色散光纤106延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率为ω₀时的群时延，β为光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D(ps/km/nm)为光纤的色散系数，λ₀为光源波长。

光电振荡器输出的响应函数可表示为：

H_RF(ξ)＝∫T(ω)[H^*(ω)H(ω+ξ)+H(ω)H^*(ω-ξ)]dω (10)

由式(6)——(9)可得响应函数为：

上式中H(ω)为理想的光电振荡器的响应函数，可表示为：

H(ξ)＝∫T(ω)exp[-jξβL(ω-ω₀)]dω (12)

由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

根据式(4)可得，待测光学器件的厚度为：

由上式可知，根据光电振荡器输出的射频信号的频率，光源的中心波长，待测光学元器件的折射率，色散光纤106的色散值和长度就可以得到待测光学元器件的厚度。

本发明提出的测量方法的关键是要确定好式(14)中的各项参数，即先确定光电振荡器中的色散光纤106的长度和色散值，并调节干涉仪两臂光程差使得光电振荡器输出的微波信号的频率在常用频谱仪测量频段范围内(不失为一般性，一般频谱仪的频率带宽为几十KHz——26.5GHz)。本系统的分辨率可通过设置式(14)中的各项参数来改变。由式(13)可知光电振荡器输出的微波信号的中心频率3dB带宽可达80MHz左右，不失为一般性通过调节干涉仪两臂光程差使得系统输出的微波信号的频率分辨率为100MHz，色散光纤为1km，色散系数为-150ps/km/nm时，光源中心波长为1550nm时，测试系统的厚度测量分辨率可达20微米，从而可实现微米级厚度的测量。

本发明提出的厚度测量系统的工作流程如下所示：

上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。调制器工作点确定后，先不将待测光学器件插入到待测光学器件安装座103中，此时记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f₁。将待测光学器件插入到待测光学器件安装座103中，记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f₂。根据式(14)就可以得到待测光学元器件的厚度为

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光学元器件厚度的测量装置，其特征在于，包括宽谱光源(101)、待测光学器件安装座(103)和计算器(202)，宽谱光源(101)输出端连接第一光纤耦合器(102)，第一光纤耦合器(102)的一个输出端与待测光学器件安装座(103)连接，待测光学器件安装座(103)的输出光和第一光纤耦合器(102)的输出光经过第二光纤耦合器(104)合束，第一光纤耦合器(102)、待测光学器件安装座(103)和第二光纤耦合器(104)构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接电光调制器(105)，电光调制器(105)输出的调制信号经过色散光纤(106)后入射到高速光电探测器(107)上，高速光电探测器(107)将光信号装换成微波信号并通过低噪放(108)放大，低噪放(108)输出端连接微波功分器(109)，微波功分器(109)将一部分微波信号注入到电光调制器(105)中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪(201)，频谱仪(201)末端连接计算机(202)。

2.根据权利要求1所述的一种光学元器件厚度的测量装置，其特征在于，电光调制器(105)、色散光纤(106)、高速光电探测器(107)、低噪放(108)和微波功分器(109)组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与马赫曾德干涉仪的输出端相连接。

3.根据权利要求1所述的一种光学元器件厚度的测量装置，其特征在于，宽谱光源(101)经马赫曾德干涉仪后，当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，且该干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱。

4.根据权利要求1所述的一种光学元器件厚度的测量装置，其特征在于，宽谱光源(101)可采用高斯型或矩形光源作为发射光源。