CN110243572B - 一种光波导群折射率测试装置和方法 - Google Patents

一种光波导群折射率测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种光波导群折射率测试装置和方法，所述装置包括：多个微环测试组件，每个所述微环测试组件包括直波导和圆角矩形波导，所述圆角矩形波导平行于所述直波导并且靠近所述直波导的一边与所述直波导形成定向耦合器，所述圆角矩形波导垂直于所述直波导的至少一边设置待测波导，所述多个微环测试组件的待测波导的长度不同，所述多个微环测试组件中除了待测波导的长度不同外，其它部分均相同。本发明具有测试精度高，可测范围广等优势。

Description

一种光波导群折射率测试装置和方法
技术领域
本发明涉及光波导群折射率(Ng：Group index)测试技术领域，具体涉及一种光波导群折射率测试装置和方法。
背景技术
近些年，为了满足人们日益增长的通信和浩如烟海的数据传输需求，光通信技术得以飞速发展；其中硅光器件的性能日益精进，硅基光子集成芯片以其低成本、高传输速度及高集成度得到了人们的极大重视，成为下一代信息革命的弄潮儿之一。作为硅基光子集成芯片中最基本的结构，光波导的性能起着决定性作用。目前有许多器件的设计原理是基于光波导(条形波导：Strip waveguide；脊形波导：Rib waveguide)的群折射率，如：Flat-DC、MZ干涉仪、环形调制器和布拉格光栅滤波器(Bragg grating filters)。所以准确地测试出光波导的群折射率对相关器件的设计意义重大。
目前光波导群射率的测试方法主要是利用MZ干涉仪和微环的干涉效应，从其输出光谱中提取相关参数并计算出所测光波导或器件的群折射率。但这两者均存在测试误差较大或测试范围较窄等问题，因为根据光谱去找谐振波长λ及自由光谱范围(FSR：Freespectrum range)的误差较大，所以所测的群折射率误差较大。且对于最简单的条形光波导之外的其他光波导(如：脊形波导：Rib waveguide)或其他器件而言，传统的测试方法存在测试误差大或是难以进行群折射率Ng测试的问题。
发明内容
本发明提供一种光波导群折射率测试装置和方法，与传统群折射率Ng的测试方案相比，本发明具有测试精度高，可测范围广的优势。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种光波导群折射率测试装置，包括：
多个微环测试组件，每个所述微环测试组件包括直波导和圆角矩形波导，所述圆角矩形波导平行于所述直波导并且靠近所述直波导的一边与所述直波导形成定向耦合器，所述圆角矩形波导垂直于所述直波导的至少一边设置待测波导，所述多个微环测试组件的待测波导的长度不同，所述多个微环测试组件中除了待测波导的长度不同外，其它部分均相同。
优选地，所述圆角矩形波导垂直于所述直波导的两边设置相同的待测波导。
优选地，所述待测波导为直波导或者非直波导。
优选地，所述待测波导通过锥形波导接入所述圆角矩形波导。
第二方面，本发明提供一种光波导群折射率测试方法，应用于上述的光波导群折射率测试装置，包括：
分别获取多个微环测试组件的出射光谱；
得到每个所述出射光谱的谐振波长与所对应的自由光谱范围的关系；
确定多个微环测试组件中待测波导的长度差，根据自由光谱范围与波导的群折射率的关系，确定待测波导的群折射率。
优选地，分别获取多个微环测试组件的出射光谱包括：
光束从微环测试组件的直波导入射端口射入；
光束经过定向耦合器进入所述微环测试组件的圆角矩形波导；
光束在所述圆角矩形波导的循环耦合后，从微环测试组件的直波导出射端口射出；
检测多个所述微环测试组件的直波导出射端口的光谱。
优选地，得到每个所述出射光谱的谐振波长与其所对应的自由光谱范围的关系包括：
根据多个微环测试组件的出射光谱分别拟合得到每个出射光谱的谐振波长与所对应的自由光谱范围的关系。
优选地，确定多个微环测试组件中待测波导的长度差包括：
获得每个微环测试组件中的待测波导的总长度；
将任意两个微环测试组件的待测波导的总长度做差获得所述两个微环测试组件中待测波导的长度差；
遍历所述多个微环测试组件获得多个所述两个微环测试组件中待测波导的长度差。
优选地，根据自由光谱范围与波导的群折射率的关系，确定待测波导的群折射率包括：
利用如下公式计算待测波导的群折射率：
Figure BDA0002112061990000031
其中，Ng(λ)为待测波导的群折射率；
dL为第i个微环测试组件中待测波导与第j个微环测试组件中待测波导的长度差；
FSRi(λ)为第i个微环测试组件所测谐振波长λ对应的自由光谱范围，FSRj(λ)为第j个微环测试组件所测谐振波长λ对应的自由光谱范围。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明解决了传统群折射率Ng测试方案的弊端，与传统群折射率Ng的测试方案相比，本发明具有测试精度高，可测范围广等优势。
本发明的测试结构是多个微环测试组件。微环测试组件主要由圆角矩形波导和直波导组成，其中直波导和圆角矩形波导的一边形成定向耦合器(DC：DirectionalCoupler)。此外，在保持微环测试组件耦合结构相同的同时，仅调整圆角矩形波导中待测波导的长度，使其存在长度差dL。最后测试得到微环测试组件的光谱，并分别从微环测试组件的光谱中拟合得到不同谐振波长λ所对应的FSR，然后结合微环的长度差计算出所测光波导的群折射率Ng。这样可以从两方面减小测试误差：
1.与MZ干涉仪相比，微环测试组件的干涉效果更好；利用其密集的光谱拟合得到不同波长对应的FSR比直接读取更加准确；
2.微环测试组件可以有效避免微环中弯曲波导和其它结构(如：Taper，锥形波导)的影响从而提高测试精度。同时单个微环测试组件的测试结构要求结构中的光波导处处相等，大大提高了测试灵活度。
附图说明
图1为本发明实施例的光波导群折射率测试装置的示意图；
图2为本发明实施例的光波导群折射率测试方法的流程图；
图3为本发明实施例的获取多个微环测试组件的出射光谱的流程图；
图4为本发明实施例1所测光波导群折射率Ng的测试值与仿真值的对比图；
图5为本发明实施例2所测光波导群折射率Ng的测试值与仿真值的对比图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种光波导群折射率测试装置，其包括：多个微环测试组件，每个所述微环测试组件包括直波导和圆角矩形波导，所述圆角矩形波导平行于所述直波导并且靠近所述直波导的一边与所述直波导形成定向耦合器，所述圆角矩形波导垂直于所述直波导的至少一边设置待测波导，所述多个微环测试组件的待测波导的长度不同，所述多个微环测试组件中除了待测波导的长度不同外，其它部分均相同。
如图1所示，本发明实施例以两个微环测试组件为例说明光波导群折射率测试装置的组成，包括第一微环测试组件1和第二微环测试组件2，第一微环测试组件1包括第一直波导和第一圆角矩形波导；第二微环测试组件2包括第二直波导和第二圆角矩形波导；第一待测波导3接入所述第一圆角矩形波导，第二待测波导4接入所述第二圆角矩形波导，光束分别从第一微环测试组件1的直波导入射端口5和第二微环测试组件2的直波导入射端口7射入，从第一微环测试组件1的直波导出射端口6和第二微环测试组件2的直波导出射端口8射出，直波导和圆角矩形波导的相邻的一边形成定向耦合器。
其中，第一待测波导3可以接入所述第一圆角矩形波导的两边，也可以接入第一圆角矩形波导的一边，第二待测波导4可以接入所述第二圆角矩形波导的两边，也可以接入第二圆角矩形波导的一边。
本发明实施例中，所述圆角矩形波导垂直于所述直波导的两边设置相同的待测波导。
本发明实施例中，所述相同的待测波导指材料、结构、长度、群折射率均相同。
如图1所示，本发明实施例以两个微环测试组件为例，第一待测波导3分别对称的设置于所述第一圆角矩形波导垂直于第一直波导的两边，并且，第一圆角矩形波导两边的第一待测波导3材料相同、群折射率相同，第一圆角矩形波导两边的第一待测波导3可以长度相同的待测波导也可以为长度不同的待测波导。同理，第二待测波导4分别对称的设置于所述第二圆角矩形波导垂直于第二直波导的两边，并且，第二圆角矩形波导两边的第二待测波导4材料相同、群折射率相同，第二圆角矩形波导两边的第二待测波导4可以长度相同的待测波导也可以为长度不同的待测波导。
本发明实施例中，所述待测波导为直波导或者非直波导。所述待测波导通过锥形波导接入所述圆角矩形波导。
如图2所示，本发明实施例还提供一种光波导群折射率测试方法，应用于上述的光波导群折射率测试装置，包括：
S101、分别获取多个微环测试组件的出射光谱；
S102、得到每个所述出射光谱的谐振波长与所对应的自由光谱范围的关系；
S103、确定多个微环测试组件中待测波导的长度差，根据自由光谱范围与波导的群折射率的关系，确定待测波导的群折射率。
如图3所示，本发明实施例中，步骤S101中分别获取多个微环测试组件的出射光谱包括：
S1011、光束从微环测试组件的直波导入射端口射入；
S1012、光束经过定向耦合器进入所述微环测试组件的圆角矩形波导；
S1013、光束在所述圆角矩形波导的循环耦合后，从微环测试组件的直波导出射端口射出；
S1014、检测多个所述微环测试组件的直波导出射端口的光谱。
本发明实施例中，步骤S102中得到每个所述出射光谱的谐振波长与其所对应的自由光谱范围的关系包括：
根据多个微环测试组件的出射光谱分别拟合得到每个出射光谱的谐振波长与所对应的自由光谱范围的关系。
本发明实施例中，步骤S103中确定多个微环测试组件中待测波导的长度差包括：
获得每个微环测试组件中的待测波导的总长度；
将任意两个微环测试组件的待测波导的总长度做差获得所述两个微环测试组件中待测波导的长度差；
遍历所述多个微环测试组件获得多个所述两个微环测试组件中待测波导的长度差。
本发明实施例中，根据自由光谱范围与波导的群折射率的关系，确定待测波导的群折射率包括：
利用如下公式计算待测波导的群折射率：
Figure BDA0002112061990000061
其中，Ng(λ)为待测波导的群折射率；
dL为第i个微环测试组件中待测波导与第j个微环测试组件中待测波导的长度差；
FSRi(λ)为第i个微环测试组件所测谐振波长λ对应的自由光谱范围，FSRj(λ)为第j个微环测试组件所测谐振波长λ对应的自由光谱范围。
本发明实施例中，dL＝Li-Lj，这里的Li为第i个微环测试组件中待测波导的总长度，Lj为第j个微环测试组件中待测波导的总长度，当待测波导分布在微环测试组件中的圆角矩形波导的两边时，将两个待测波导长度加起来作为总长度。
如图1所示，本发明实施例以两个微环测试组件为例，第一微环测试组件1和第二微环测试组件2分别接入长度不同第一待测波导3和第二待测波导4，第一微环测试组件1和第二微环测试组件2中除了第一待测波导3(设其总长度为L1，如果第一待测波导3设置在第一圆角矩形的一边，其长度为L1，如果第一待测波导3设置在第一圆角矩形的两边，长度分别为L11和L12，其长度和为L1＝L11+L12，如果设置在第一圆角矩形两边的第一待测波导3长度一致，则每个第一待测波导3长度为L1/2，总长度为L1)和第二待测波导4(设其总长度为L2，如果第二待测波导4设置在第二圆角矩形的一边，其长度为L2，如果第二待测波导4设置在第二圆角矩形的两边，长度分别为L21和L22，其总长度为L2＝L21+L22，如果设置在第二圆角矩形两边的第二待测波导4长度一致，则每个第二待测波导4长度为L2/2，总长度为L2)的长度不同外，其它部分均相同。光束分别从第一微环测试组件1的直波导入射端口5、第二微环测试组件2的直波导入射端口7进入第一微环测试组件1和第二微环测试组件2进行干涉后，从第一微环测试组件1的直波导出射端口6和第二微环测试组件2的直波导出射端口8射出，输出光谱，最后根据第一微环测试组件1和第二微环测试组件2的出射光谱分别拟合得到其谐振波长λ和FSR的关系，根据第一待测波导3和第二待测波导4的长度差，计算得到待测波导的群折射率Ng。
本发明实施例的工作原理如下所示：
对于微环测试组件而言，其FSR和波导的群折射率Ng的关系如公式(1)所示：
Figure BDA0002112061990000081
其中，L为微环测试组件的总长度(微环测试组件中的光波导处处相同)。对于第一微环测试组件1和第二微环测试组件2而言有：
Figure BDA0002112061990000082
其中，Ngother为微环测试组件中除了第一待测波导3和第二待测波导4之外的波导等效群折射率，Lother为微环测试组件中除了第一待测波导3和第二待测波导4之外的波导长度。L1和L2为第一待测波导3和第二待测波导4分别在两个圆角矩形波导的总长度。
由上述公式可得，待测光波导的群折射率Ng为：
Figure BDA0002112061990000083
其中，dL＝L1-L2，FSR1(λ)为第一微环测试组件1所测谐振波长λ对应的FSR，FSR2(λ)为第二微环测试组件2所测谐振波长λ对应的FSR。通过所测光谱拟合得到第一微环测试组件1和第二微环测试组件2的谐振波长λ与FSR的关系。并由上述公式算出待测波导的群折射率Ng。
当微环测试组件的数量多于两个时，任意两个微环测试组件为一组进行上述计算获得一个待测波导的群折射率Ng，多组微环测试组件计算获得的待测波导的群折射率Ng取平均值作为最终的待测波导的群折射率Ng。
本发明实施例采用多个长度不同的微环测试组件的群折射率Ng，并通过数据拟合，从所测光谱中提取得到谐振波长λ与FSR的关系，并计算出待测波导的群折射率Ng。
实施例1
如图1所示，光束分别从第一微环测试组件1的直波导入射端口5和第二微环测试组件2的直波导入射端口7射入，经定向耦合器耦合进入微环测试组件，进过多次循环耦合后，从第一微环测试组件1的直波导出射端口6和第二微环测试组件2的直波导出射端口8射出；分别得到两个微环测试组件的测试光谱，从光谱中得到谐振波长λ1与其所对应的FSR1(λ)的关系和谐振波长λ2与其所对应的FSR2(λ)的关系：FSR∝λ。最后计算得到第一待测波导3、第二待测波导4的群折射率Ng。
本实施例中，采用全刻蚀的条形硅波导，其宽为500nm、高为220nm；上下包层为二氧化硅层。定向耦合器的直通端的透射系数t12＝0.2，定向耦合器的耦合间距gap为20nm。弯曲波导采用1/4圆的弯曲波导，待测波导3的长度为L1＝600um，待测波导4的长度为L2＝300um。
图4为本发明所测光波导群折射率Ng的测试值与仿真值的对比。结果表明，本实施例可以准确地测出光波导的群折射率Ng，其测试误差仅为0.01。
实施例2
如图1所示，光束分别从第一微环测试组件1的直波导入射端口5和第二微环测试组件2的直波导入射端口7射入，经定向耦合器耦合进入微环测试组件，进过多次循环耦合后，从第一微环测试组件1的直波导出射端口6和第二微环测试组件2的直波导出射端口8射出；分别得到两个微环测试组件的测试光谱，从光谱中得到谐振波长λ1与其所对应的FSR1(λ)的关系和谐振波长λ2与其所对应的FSR2(λ)的关系：FSR∝λ。最后计算得到第一待测波导3、第二待测波导4的群折射率Ng。
本实施例中，采用浅刻蚀的脊形硅波导，其脊宽为500nm、脊高为70nm；Slab宽为2.5um、高为170nm。上下包层为二氧化硅层。定向耦合器的直通端的透射系数t1 2＝0.2，定向耦合器的耦合间距gap为20nm。弯曲波导采用1/4圆的弯曲波导，待测波导3的长度为L1＝600um，待测波导4的长度为L2＝150um。
图5为本发明所测光波导的群折射率Ng的测试值与仿真值的对比。结果表明，本实施例可以准确地测出光波导的群折射率Ng，其测试误差仅为0.01。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种光波导群折射率测试装置，其特征在于，包括：多个微环测试组件，每个所述微环测试组件包括直波导和圆角矩形波导，所述圆角矩形波导平行于所述直波导并且靠近所述直波导的一边与所述直波导形成定向耦合器，所述圆角矩形波导垂直于所述直波导的至少一边设置待测波导，所述多个微环测试组件的待测波导的长度不同，所述多个微环测试组件中除了待测波导的长度不同外，其它部分均相同。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆角矩形波导垂直于所述直波导的两边设置相同的待测波导。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述待测波导为直波导或者非直波导。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述待测波导通过锥形波导接入所述圆角矩形波导。
5.一种光波导群折射率测试方法，其特征在于，应用于权利要求1至4任一所述的光波导群折射率测试装置，包括：
分别获取多个微环测试组件的出射光谱；
得到每个所述出射光谱的谐振波长与所对应的自由光谱范围的关系；
确定多个微环测试组件中待测波导的长度差，根据自由光谱范围与波导的群折射率的关系，确定待测波导的群折射率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，分别获取多个微环测试组件的出射光谱包括：
光束从微环测试组件的直波导入射端口射入；
光束经过定向耦合器进入所述微环测试组件的圆角矩形波导；
光束在所述圆角矩形波导的循环耦合后，从微环测试组件的直波导出射端口射出；
检测多个所述微环测试组件的直波导出射端口的光谱。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，得到每个所述出射光谱的谐振波长与其所对应的自由光谱范围的关系包括：
根据多个微环测试组件的出射光谱分别拟合得到每个出射光谱的谐振波长与所对应的自由光谱范围的关系。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定多个微环测试组件中待测波导的长度差包括：
获得每个微环测试组件中的待测波导的总长度；
将任意两个微环测试组件的待测波导的总长度做差获得所述两个微环测试组件中待测波导的长度差；
遍历所述多个微环测试组件获得多个所述两个微环测试组件中待测波导的长度差。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据自由光谱范围与波导的群折射率的关系，确定待测波导的群折射率包括：
利用如下公式计算待测波导的群折射率：
Figure FDA0002112061980000021
其中，Ng(λ)为待测波导的群折射率；
dL为第i个微环测试组件中待测波导与第j个微环测试组件中待测波导的长度差；
FSRi(λ)为第i个微环测试组件所测谐振波长λ对应的自由光谱范围，FSRj(λ)为第j个微环测试组件所测谐振波长λ对应的自由光谱范围。
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