CN109387356B - 一种光波导传输损耗测量方法 - Google Patents

一种光波导传输损耗测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光波导传输损耗测量方法，包括如下步骤：1）宽谱光源输出耦合到第一条光波导中，光波导传输后，通过光波导芯片耦合输出到高精度光谱仪中，光谱仪测得第一条F‑P谐振器干涉条纹；2）宽谱光源输出耦合到第二条不同长度的光波导中，光波导传输后，通过光波导芯片耦合输出到高精度光谱仪中，光谱仪测得第二条F‑P谐振器干涉条纹；3）根据两条F‑P谐振器干涉条纹，利用光波导传输损耗与干涉条纹的关系式计算光波导的传输损耗。优点：通过测量两段不同长度光波导的F‑P腔谐振条纹计算光波导传输损耗，无需知道波导端面或者光栅的反射率绝对值，即可计算光波导准确的传输损耗。并可同时满足端面耦合波导与垂直光栅耦合光波导的传输损耗测量。

Description

一种光波导传输损耗测量方法
技术领域
本发明是一种光波导传输损耗测量方法，属于集成光子器件技术领域。
背景技术
在集成光子器件中，光波导是构造光子集成器件与芯片的最基本结构，是进一步构成其他无源、有源光子、光电子器件，例如分束/合束器、阵列波导光栅、马赫曾德尔干涉仪、微环谐振器、调制器、光开关等的基本构成单元。光波导的基本功能是实现光波的低损耗、低畸变传输，其传输损耗是最重要的指标，决定了集成光子器件的性能。
光波导的光传输损耗机制主要包括：1）波导粗糙侧壁的光散射；2）波导衬底光泄漏损耗；3）波导材料吸收损耗；4）波导弯曲辐射损耗。光波导传输损耗的测量对于评价波导的加工质量、定量分析损耗的起源都具有重要意义。测量波导传输损耗的方法多种多样，有截断法、法布里珀罗（F-P）谐振腔干涉分析法、傅里叶变换法、多次反射法、波导侧向散射光收集法、棱镜耦合法等，目前最常用的方法是截断法和F-P谐振腔干涉分析法，其他方法由于测试精度欠佳或实验装置复杂而极少被采用。其中截断法需要制备多条不同长度的光波导，利用波导长度与总体插入损耗的线性关系，得出待测波导单位长度的传输损耗，由于每段波导存在耦合效率的差别，导致获得的数值不够准确。F-P谐振器干涉分析法则需要知道耦合区的反射系数，一般地，该反射系数由经验公式推出，故而获得的传输损耗数值存在一定的偏差。
发明内容
本发明提出的是一种光波导传输损耗测试方法，其目的旨在解决传统波导传输损耗测试方法测试不够准确的问题，提出一种改进的F-P腔对比分析法，通过测量两段不同长度光波导的F-P腔谐振条纹，计算得到光波导准确的传输损耗，无需知道波导端面或者光栅的反射系数绝对值，该方法可满足端面耦合波导与垂直光栅耦合光波导的传输损耗测量。
本发明的技术解决方案：一种光波导传输损耗测量方法，包括如下步骤：
1）宽谱光源输出耦合到第一条光波导中，光波导传输后，通过光波导芯片耦合输出到高精度光谱仪中，光谱仪测得所形成的第一条F-P谐振器干涉条纹；
2）宽谱光源输出耦合到第二条不同长度的光波导中，光波导传输后，通过光波导芯片耦合输出到高精度光谱仪中，光谱仪测得所形成的第二条F-P谐振器干涉条纹；
3）根据测量得到的两条F-P谐振器干涉条纹，利用光波导传输损耗与干涉条纹的关系公式
Figure RE-950358DEST_PATH_IMAGE001
，计算出光波导的传输损耗。
本发明的有益效果：
1）通过测量两段不同长度光波导的F-P腔谐振条纹计算光波导传输损耗，无需知道波导端面或者光栅的反射率绝对值，即可计算光波导准确的传输损耗。
2）可同时满足端面耦合波导与垂直光栅耦合光波导的传输损耗测量，计算简便、准确。
附图说明
附图1是光波导传输损耗测量方法示意图。
附图2是光波导F-P谐振腔示意图。
图中1是宽谱光源、2是光波导芯片、3是高精度光谱仪、4是光纤、5是耦合输入口、6是耦合输出口、7是第一条光波导、8是第二条光波导。
具体实施方式
一种光波导传输损耗测量方法，包括如下步骤：
1）宽谱光源输出耦合到第一条光波导中，光波导传输后，通过光波导芯片耦合输出到高精度光谱仪中，光谱仪测得所形成的第一条F-P谐振器干涉条纹；
2）宽谱光源输出耦合到第二条不同长度的光波导中，光波导传输后，通过光波导芯片耦合输出到高精度光谱仪中，光谱仪测得所形成的第二条F-P谐振器干涉条纹；
3）根据测量得到的两条F-P谐振器干涉条纹，利用光波导传输损耗与干涉条纹的关系公式
Figure RE-945996DEST_PATH_IMAGE002
，计算出光波导的传输损耗。
所述步骤1）或2）中，宽谱光源通过光纤4与光波导芯片的耦合输入口5进行耦合，光波经过光波导传输后由光波导芯片的耦合输出口6输出到光纤中，并接入高精度光谱仪3进行测量，得到干涉条纹。
所述宽谱光源为自发辐射激光源。
所述光波导芯片含有两条不同长度的光波导。
所述光波导芯片采用水平端面耦合或者垂直光栅耦合方式与光纤连接。
所述步骤3）中，光波导传输损耗测量方法推导过程如下所示：
光波在光波导两个端面反射形成F-P腔，设波导长度为L，输入光场强为Ein，光波导端面透射系数为t,反射系数为r，则输出光场强可表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
式中θ为长度为L的光波导引起的相移，α为长度为L的光波导的幅度损耗因子；
输出光功率可表示为：
Figure RE-939841DEST_PATH_IMAGE004
输出光功率最大值与最小值的差值，此处为对数的差值A，可表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE005
测量两条不同长度光波导时，长度分别为L 1和L 2，则有
Figure RE-729942DEST_PATH_IMAGE006
将两个等式联合消除反射系数r，计算损耗因子，则有
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE007
进一步化简可得
Figure RE-15430DEST_PATH_IMAGE008
式中A1和A2为两不同长度光波导形成的F-P谐振腔干涉条纹上最大光功率（单位为dBm）与最小光功率的差值（单位为dB）,长度L 1和L 2单位为厘米，则传输损耗Ploss单位dB/cm。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
如附图1所示，一种光波导传输损耗测量方法所用测量装置包括宽谱光源1、光波导芯片2和高精度光谱仪3；其中光源通过光纤4与耦合输入口5进行耦合，光波经过光波导传输后由耦合输出口6输出到光纤中，并接入高精度光谱仪3进行测量，得到干涉条纹。
所述的光波导芯片2含有两条长度分别为1000微米和500微米的光波导。
所述的光波导7、8在耦合输入口5和耦合输出口6通过水平端面耦合方式与光纤4连接。
如附图2所示，为光波导形成F-P谐振腔的原理图，光波在光波导两个端面反射形成F-P腔。
实施例1
用于水平端面耦合光波导的一种光波导传输损耗测量方法，如图1所示其测量装置包括宽谱光源1、光波导芯片2和高精度光谱仪3；其中光源通过光纤4与耦合输入口5进行耦合，光波经过光波导传输后由耦合输出口6输出到光纤中，并接入高精度光谱仪3进行测量，得到干涉条纹。
所述的光波导芯片2含有两条长度分别为1000微米和500微米的光波导。
所述的光波导7、8在耦合输入口5和耦合输出口6通过水平端面耦合方式与光纤4连接。
测量方法包括以下步骤：
1）宽谱光源通过光纤端面耦合到第一条长度为1000微米的光波导中，调整光纤与波导端面的相对位置，获得最大效率光耦合，光波导传输后，波导输出端与光纤耦合，并将光波输入到高精度光谱仪中，光谱仪测得所形成的第一条F-P谐振器干涉条纹，光谱仪选用dBm为光功率单位，读取条纹最大值与最小值的差值记为A 1（dB）；
2）宽谱光源通过光纤端面耦合到第一条长度为500微米的光波导中，同上测得所形成的第二条F-P谐振器干涉条纹，光谱仪选用dBm为光功率单位，读取条纹最大值与最小值的差值记为A 2（dB）；
3）根据测量得到的两条F-P谐振器，利用光波导传输损耗与干涉条纹的关系公式（公式如下），推算出光波导的传输损耗P loss（dB/cm）。
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE009
其中，L 1=1000微米，L 2=500微米。
本实施例的光波导传输损耗测量方法，其原理详细叙述如下：
如图2所示为光波导形成F-P谐振腔的原理图，光波在光波导两个端面反射形成F-P腔，设波导长度为L，输入光场强为Ein，光波导端面透射系数为t,反射系数为r，则输出光场强可表示为：
Figure RE-549180DEST_PATH_IMAGE010
式中θ为长度为L的光波导引起的相移，α为长度为L的光波导的幅度损耗因子；
输出光功率可表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE011
输出光功率最大值与最小值的差值，此处为对数的差值A，可表示为：
Figure RE-869303DEST_PATH_IMAGE012
测量两条不同长度光波导时，长度分别为L 1和L 2，则有
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE013
将两个等式联合消除反射系数r，计算损耗因子，则有
Figure RE-830305DEST_PATH_IMAGE014
进一步化简可得
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE015
式中A1和A2为两不同长度光波导形成的F-P谐振腔干涉条纹上最大光功率（单位为dBm）与最小光功率的差值（单位为dB）,长度L 1和L 2单位为厘米，则传输损耗Ploss单位dB/cm。
实施例2
用于垂直光栅耦合光波导的一种光波导传输损耗测量方法，如图1所示其测量装置包括宽谱光源1、光波导芯片2和高精度光谱仪3；其中光源通过光纤4与耦合输入口5进行耦合，光波经过光波导传输后由耦合输出口6输出到光纤中，并接入高精度光谱仪3进行测量，得到干涉条纹。
所述的光波导芯片2含有两条长度分别为1000微米和500微米的光波导。
所述的光波导7、8在耦合输入口5和耦合输出口6通过垂直光栅耦合方式与光纤4连接。
测量方法包括以下步骤：
1）宽谱光源通过光纤垂直光栅耦合到第一条长度为1000微米的光波导中，调整光纤与波导端面的相对位置，获得最大效率光耦合，光波导传输后，波导输出端与光纤耦合，并将光波输入到高精度光谱仪中，光谱仪测得所形成的第一条F-P谐振器干涉条纹，光谱仪选用dBm为光功率单位，读取条纹最大值与最小值的差值记为A 1（dB）；
2）宽谱光源通过光纤垂直光栅耦合到第一条长度为500微米的光波导中，同上测得所形成的第二条F-P谐振器干涉条纹，光谱仪选用dBm为光功率单位，读取条纹最大值与最小值的差值记为A 2（dB）；
3）根据测量得到的两条F-P谐振器，利用光波导传输损耗与干涉条纹的关系公式（公式如下），推算出光波导的传输损耗P loss（dB/cm）。
Figure RE-868669DEST_PATH_IMAGE016
其中，L 1=1000微米，L 2=500微米。
实施例2的公式原理同实施例1，不同的是光波在光波导两端的垂直耦合光栅处反射形成F-P腔。

Claims (5)

1.一种光波导传输损耗测量方法，其特征是包括如下步骤：
1)宽谱光源输出耦合到第一条光波导中，光波导传输后，通过光波导芯片耦合输出到高精度光谱仪中，光谱仪测得所形成的第一条F-P谐振器干涉条纹；
2)宽谱光源输出耦合到第二条不同长度的光波导中，光波导传输后，通过光波导芯片耦合输出到高精度光谱仪中，光谱仪测得所形成的第二条F-P谐振器干涉条纹；
3)光波导传输损耗测量方法推导过程如下所示：
光波在光波导两个端面反射形成F-P腔，设波导长度为L，输入光场强为Ein，光波导端面透射系数为t,反射系数为r，则输出光场强可表示为：
Figure FDA0002627511120000011
θ＝2πLn/λ，
Figure FDA0002627511120000012
式中θ为长度为L的光波导引起的相移，α为长度为L的光波导的幅度损耗因子；
输出光功率可表示为：
Figure FDA0002627511120000013
输出光功率最大值与最小值的差值，此处为对数的差值A，可表示为：
Figure FDA0002627511120000014
测量两条不同长度光波导时，长度分别为L1和L2，则有
Figure FDA0002627511120000015
将两个等式联合消除反射系数r，计算损耗因子，则有
Figure FDA0002627511120000021
进一步化简可得
Figure FDA0002627511120000022
式中A1和A2为两不同长度光波导形成的F-P谐振腔干涉条纹上最大光功率与最小光功率的差值，单位为dB，长度L1和L2单位为厘米，则传输损耗Ploss单位dB/cm；根据步骤1-2测量得到的两条F-P谐振器干涉条纹，利用所述光波导传输损耗与干涉条纹的关系公式
Figure FDA0002627511120000023
计算光波导的传输损耗。
2.根据权利要求1所述的一种光波导传输损耗测量方法，其特征是所述步骤1)或2)中，宽谱光源通过光纤4与光波导芯片的耦合输入口5进行耦合，光波经过光波导传输后由光波导芯片的耦合输出口6输出到光纤中，并接入高精度光谱仪3进行测量，得到干涉条纹。
3.根据权利要求1所述的一种光波导传输损耗测量方法，其特征是所述宽谱光源为自发辐射激光源。
4.根据权利要求1所述的一种光波导传输损耗测量方法，其特征是所述光波导芯片含有两条不同长度的光波导。
5.根据权利要求1所述的一种光波导传输损耗测量方法，其特征是所述光波导芯片采用水平端面耦合或者垂直光栅耦合方式与光纤连接。
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