CN110220676A - 基于分束器的波导传输损耗的测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于分束器的波导传输损耗的测量装置和测量方法，包括：分束器，该分束器的输出端集成第一输出臂和第二输出臂，分束器包括依次连接的第一马赫‑曾德尔干涉仪、相移器和第二马赫‑曾德尔干涉仪；第一马赫‑曾德尔干涉仪和第二马赫‑曾德尔干涉仪均由两个相同定向耦合器及连接这两个定向耦合器的两根单模波导干涉臂组成，相移器由两根单模波导干涉臂组成；定向耦合器由二根中间耦合的单模波导组成，该定向耦合器的分光比落在15％：85％到85％：15％范围内。本发明适用测试的单模波导种类多，包括但不限于铌酸锂波导、硅基波导、融石英波导等；可测的最低传输损耗可低于0.001dB/cm，具有精确测量的特点。

Description

基于分束器的波导传输损耗的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及光波导的传输损耗测量，特别是一种分束器分光的单模波导传输损耗的测试装置及测试方法。
背景技术
光波导，由折射率较低的包层裹着折射率较高的芯径组成，利用光的全内反射进行导波。光波导通过在空间上对光场进行局域化和操控，既传输了光子，又极大增加光与物质的相互作用，在工程应用和基础研究中，比如光通讯、集成光学、量子信息处理、非线性光学、传感等领域，有着重要的应用和发展前景。片上的光波导尤为引人注目，是构建光子芯片的重要单元。其中，衡量光波导的一个重要指标是传输损耗，其直接决定了光波导回路的传输距离和信息传输效率。目前，融石英光纤在1550nm的传输损耗一般在0.2dB/km，硅基波导的传输损耗典型值在3dB/cm，铌酸锂波导的最低传输损耗在0.03dB/cm左右(参见文献1：R.Wu,M.Wang,J.Xu,J.Qi,W.Chu,Z.Fang,J.Zhang,J.Zhou,L.Qiao,Z.Chai,J.Lin,andY.Cheng,Nanomaterials,Vol.8,P 910,2018)。目前片上光波导传输损耗的测量，主要基于端口之间形成的法布里帕罗腔干涉条纹测量(参见文献2:R.Regener and W.Sohler,Appl.Phys.B,Vol.36,P 143,1985)、基于截断法(参见文献3：R.G.Walker,Electron.Lett.,Vol.21,P 581,1985；文献4:R.G.Hunsperger,Integrated Optics:Theory and Technology,Springer Verlag,New York,3rd ed.,1991)或测试环腔的品质因子(参见文献5:M.Zhang,C.Wang,R.Cheng,A.Shams-Ansari,and M.Optica,Vol.4,P 1536,2017)测试得到。对于超低损耗的波导，限于波导的长度和加工技术，法布里帕罗干涉、截断法难以测试极低的损耗(<10-1dB/cm)；而利用波导组成的环腔的品质因子测试，则需要临界耦合的苛刻条件以及极窄线宽的可调谐激光光源。发展一种方便的光波导传输损耗的测试方法，成为了低损耗波导制备、应用的瓶颈。
从原则上讲，将从已知50％：50％分束比的分束器输出的光，注入到不同长度的波导，通过比较波导出射端的功率，可以获得波导的传输损耗。但是，严格50％：50％分束比的分束器的制备，本身就是一大挑战。2015年，Miller从理论是提出一种基于分束比在15％：85％到85％：15％范围内的定向耦合器制备的分束器，通过改变马赫-曾德尔干涉仪、相移器内干涉臂的相位差，实现50％：50％理想分束比(参见文献6，D.A.B.Miller,Optica，Vol.2,P 747,2015)。这极大放宽了对分束器固有分束比的要求。然而，该方法尚未用于测试低损耗波导的传输损耗。
本测量方法将这种分束器直接用于测试低损耗波导的传输损耗，推动低损耗波导的制备和应用。
发明内容
本发明旨在克服现有的片上低损耗波导的传输损耗难以测量的挑战，提供一种基于不完美分束器(即起初分光比不是50％：50％)的波导传输损耗测试方法，通过调节相位差实现严格50％：50％分光。该方法既放宽了对分束器分束比的要求，也降低了对所测波导的长度要求，就可以获得传输损耗的测试。所测试的波导包括但不限于铌酸锂波导、融石英波导、二氧化硅波导、硅基波导等。
本发明技术解决的基本思想是：
由单模波导及定向耦合器(分束比落在15％:85％到85％：15％范围内)构建一个包括首尾两个马赫-曾德尔干涉仪和中间的相移器的分束器，分束器的输出端连接着两个不同臂长的输出波导。通过调节马赫-曾德尔干涉仪和相移器的相位差，使得分束比被严格调节为50％：50％，通过比较两个输出端的功率，即可获得单模波导的传输损耗。
本发明的技术方案如下：
一种基于分束器的波导传输损耗的测量装置，其特点在于，包括：分束器，该分束器的输出端集成第一输出臂和第二输出臂，所述的第二输出臂比第一输出臂长；
所述的分束器包括依次连接的第一马赫-曾德尔干涉仪、相移器和第二马赫-曾德尔干涉仪；
所述的第一马赫-曾德尔干涉仪和第二马赫-曾德尔干涉仪均由两个相同定向耦合器及连接这两个定向耦合器的两根单模波导干涉臂组成，所述的相移器由两根单模波导干涉臂组成，所述的定向耦合器由二根中心耦合的单模波导组成，该定向耦合器的分光比落在15％：85％到85％：15％范围内。
所述的两根单模波导干涉臂的相位差通过施加电场、改变温度或注入电流等方式调节。
优选的，所述的第二输出臂比第一输出臂的长10mm以上。
一种利用上述基于分束器的波导传输损耗的测量装置进行波导传输损耗的测量方法，其特点在于，该测量方法包括如下步骤：
步骤①将特定偏振态(比如横电场模、横磁场模)的光耦合到分束器的入射口，测试第二输出臂的输出功率；
步骤②调节相移器两根单模波导干涉臂的相位差，使得第二输出臂的输出功率降至最小；
步骤③通过改变第一马赫-曾德尔干涉仪和第二马赫-曾德尔干涉仪的电压、改变温度或注入电流，使得第一马赫-曾德尔干涉仪和第二马赫-曾德尔干涉仪的各自两根单模波导干涉臂的相位差发生改变，进一步达到第二输出臂的输出功率最小化，且第一输出臂的输出功率最大化；
步骤④多次重复步骤②-③，直至第二输出臂的最小输出功率降至0，则第一输出臂的输出功率达到最大；
步骤⑤调节相移器的两根单模波导干涉臂的相位差，使得相移器的两根单模波导干涉臂的相位差为π/2，且第一输出臂和第二输出臂的输入功率相同，即分束器工作在50％:50％分光状态，即输出臂的输出功率降至最大值的一半；
步骤⑥比较第一输出臂和第二输出臂的输出功率，即获得波导传输损耗。
分束器的制备：
采用半导体加工工艺，如光刻，反应离子束刻蚀、电感感应等离子体或飞秒激光硬掩膜、化学机械抛光等步骤，在所需要测试的波导衬底上按照上述的分束器结构布局，制备分束器。
与现有技术相比较，本发明的优点在于：
1、显著突破了基于法布里-帕罗干涉条纹法所测波导损耗的下限，可测的低损耗波导的传输损耗低于0.01dB/cm；
2、避免了基于环腔品质因子测试表征传输损耗时，所需要的临界耦合条件以及窄线宽的可调谐激光；
3、降低了截断法在测试低损耗波导时，对波导长度的要求；
4、需要的分束器的分束比只要落在15％：85％或85％：15％范围内即可，不需要起初分束比为50％:50％的分束器，放宽了对分束器的制备要求；
5、测量误差很小，主要来自调节控制马赫-曾德尔干涉仪相位差的温度或电压精度。
附图说明
图1是本发明利用分束器测试波导传输损耗的所需的分束器结构示意图，其中：1为分束器，它由马赫-曾德尔干涉仪2、相移器3、马赫-曾德尔干涉仪4组成；分束器1的输出端连接着两根单模波导(也叫输出臂)5和6，衬底为7。
图2是单模波导11的横截面，其形貌为脊型。优选的单模波导为铌酸锂波导，其中9为500μm厚铌酸锂衬底，10为2μm厚的二氧化硅层，9和10构成波导的衬底7。
图3是组成分束器1所需的所需要的元件示意图：包括定向耦合器12、干涉臂13和14、金电极15、16和17等结构图。
具体实施方式
下面通过实例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明方法利用分束器测试波导传输损耗的分束器结构图，现以片上铌酸锂单模波导为例来说明本发明。本发明方法需要的结构如图1所示：
(1)单模波导的横截面如图2所示，铌酸锂脊型波导11，位于2μm厚的二氧化硅层10上，底下是铌酸锂基底9。如图2所示。铌酸锂的晶向为z方向，波导11的导波方向沿着y方向。脊型波导11顶宽0.4μm，底宽0.5μm、厚度300nm。其制备采用化学机械抛光方法获得(参见文献7：R.Wu,et al.,Nanomaterials,Vol.8,P 910,2018)。
(2)基于上述波导采用化学机械抛光方法在铌酸锂衬底上构建分束器，分束器1所在衬底7的长度为30mm。如图1所示，分束器1由头尾两个马赫曾德尔干涉仪2和4、相移器3组成。其中每个马赫-曾德尔干涉仪由首尾两个定向耦合器12和中间的两根干涉臂13、14组成，每个干涉仪和相移器的波导干涉臂上，由上到下有三个金电极15、16和17，电极之间间隔为10μm，分别接负电极、正电极和负电极。金电极厚度为200nm。马赫-曾德尔干涉仪2、相移器3和马赫-曾德尔干涉仪4的电极长度分别为2mm、11mm和2mm；干涉臂的相位差φ的调节由横向电光效应实现：
其中，λ是激光器的输出波长1550nm，ne是铌酸锂在1550nm波长的非寻常光折射率，r33是铌酸锂的电光系数，V是施加的电压，d是电极之间的间隔，l是电极的长度。
分束器1连着两个不同长度的单模波导输出臂5和6，其中输出臂6比5长了ΔL＝12mm.
测量步骤：
①将偏振态为横电场模、波长为1550nm的光通过光纤透镜耦合到分束器的输入端8；
②改变相移器3的电压，使得分束器输出臂6的输出功率最小；
③调节两个马赫-曾德尔干涉仪2和4的电压，进一步使得输出臂6的输出功率最小化；
④多次重复步骤②到③的操作，使得输出臂6的输出降至零、同时输出臂5的输出功率最大；
⑤调节相移器3上的电压，使得输出臂5的输出功率降为最大值的一半；
⑥比较输出臂5和输出臂6的输出功率P5和P6，即可获得传输损耗:
γ＝10lg(P6/P5)/ΔL。

Claims (4)

1.一种基于分束器的波导传输损耗的测量装置和测量方法，其特征在于，包括：分束器(1)，该分束器(1)的输出端集成了第一输出臂(5)和第二输出臂(6)，所述的第二输出臂(6)比第一输出臂(5)长；
所述的分束器(1)包括依次连接的第一马赫-曾德尔干涉仪(2)、相移器(3)和第二马赫-曾德尔干涉仪(4)；
所述的第一马赫-曾德尔干涉仪(2)和第二马赫-曾德尔干涉仪(4)均由两个相同定向耦合器(12)及连接这两个定向耦合器(12)的两根单模波导干涉臂组成，所述的相移器(3)由两根单模波导干涉臂组成，所述的定向耦合器(12)由二根中间耦合的单模波导(11)组成，该定向耦合器(12)的分光比落在15％：85％到85％：15％范围内。
2.根据权利要求1所述的基于分束器的波导传输损耗的测量装置，其特征在于，所述的两根单模波导干涉臂的相位差通过施加电场、改变温度或注入电流等方式调节。
3.根据权利要求1或2所述的基于分束器的波导传输损耗的测量装置，其特征在于，所述的第二输出臂(6)比第一输出臂(5)输出长10mm以上。
4.一种利用权利要求1-3任一所述的基于分束器的波导传输损耗的测量装置进行波导传输损耗的测量方法，其特征在于，该测量方法包括如下步骤：
步骤①将特定偏振态的光耦合到分束器(1)的入射口(8)，测试第二输出臂(6)的输出功率；
步骤②调节相移器(3)两根单模波导干涉臂的相位差，使得第二输出臂(6)的输出功率降至最小；
步骤③改变第一马赫-曾德尔干涉仪(2)和第二马赫-曾德尔干涉仪(4)各自两根单模波导干涉臂的相位差，使得第二输出臂(6)的输出功率最小化，且第一输出臂(5)的输出功率最大化；
步骤④多次重复步骤②-③，直至第二输出臂(6)的最小输出功率降至0，则第一输出臂(5)的输出功率达到最大；
步骤⑤调节相移器(3)的两根单模波导干涉臂的相位差，使得相移器(3)的两根单模波导干涉臂的相位差为π/2，且第一输出臂(5)和第二输出臂(6)的输入功率相同，即分束器(1)工作在50％:50％分光状态，也就是输出臂(5)的输出功率降至最大值的一半；
步骤⑥比较第一输出臂(5)和第二输出臂(6)的输出功率，即获得波导传输损耗。
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