CN110530613B - 一种硅光芯片探测器响应度测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅光芯片探测器响应度测试装置和方法，所述装置包括：光栅校准结构、耦合器校准结构以及响应度测试结构；所述光栅校准结构包括直波导、以及连接在所述直波导两端的2个光栅耦合端口，其中一个光栅耦合端口作为光栅输入端，另一个光栅耦合端口作为光栅输出端；所述耦合器校准结构包括校准耦合器、以及与所述校准耦合器通过波导相连的4个光栅耦合端口；所述响应度测试结构包括测试耦合器、与所述测试耦合器通过波导相连的两个光栅耦合端口，以及与所述测试耦合器通过波导相连的待测硅光探测器PD。采用对称结构，使得探测器测试的光栅输入端口与光栅输出端口在不移动探针、芯片、耦合光纤的情况下就可以互换。

Description

一种硅光芯片探测器响应度测试装置和方法

技术领域

本发明涉及硅光探测器测试技术领域，具体涉及一种硅光芯片探测器响应度测试装置和方法。

背景技术

响应度是评价探测器性能的一个重要指标，其定义为输出光电流与输入光功率之间的比值，单位为A/W。准确的测试出探测器的响应度对于客观评价产品性能以及指导结构设计有着重要的意义。

图1所示为传统硅光芯片上探测器测试结构，11和12为光栅校准结构的的2个光栅耦合端口，两个光栅通过波导直接相连，13为探测器输入端口，15为1×2耦合器，14为探测器输出端口，16为待测试的探测器。传统探测器测试结构测试得到的响应度与实际响应度之间存在误差。造成该误差的主要原因是由于输入、输出单端口的插损无法测出，在使用光栅作为耦合结构时测试误差会尤为明显，甚至出现响应度测试结果异常。

发明内容

本发明提供了一种硅光芯片探测器响应度测试装置和方法，可以利用光栅耦合准确测试得到探测器的响应度。

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，本发明提供一种硅光芯片探测器响应度测试装置，包括：光栅校准结构、耦合器校准结构以及响应度测试结构；

所述光栅校准结构包括直波导、以及连接在所述直波导两端的2个光栅耦合端口，其中一个光栅耦合端口作为光栅输入端，另一个光栅耦合端口作为光栅输出端；

所述耦合器校准结构包括校准耦合器、以及与所述校准耦合器通过波导相连的4个光栅耦合端口；

所述响应度测试结构包括测试耦合器、与所述测试耦合器通过波导相连的两个光栅耦合端口，以及与所述测试耦合器通过波导相连的待测硅光探测器PD，所述光栅耦合器为2×2耦合器，其中一个所述光栅耦合端口为另一个所述光栅耦合端口的直通端，所述待测硅光探测器PD设置有两个连接端口连接所述测试耦合器，其中一个所述连接端口为另一个所述连接端口的直通端。

本发明还提供一种硅光芯片探测器响应度测试装置，包括：光栅校准结构以及响应度测试结构；

所述光栅校准结构包括直波导、以及连接在所述直波导两端的2个光栅耦合端口，其中一个光栅耦合端口作为光栅输入端，另一个光栅耦合端口作为光栅输出端；

所述响应度测试结构包括：五个耦合器；每个所述耦合器包括通过波导相连4个光栅耦合端口，所述耦合器为2×2耦合器，其中两个光栅耦合端口作为光栅输入端，另外两个光栅耦合端口作为光栅输出端；其中，按照光栅输入端与光栅输出端相连接的规则将4个所述耦合器接入剩余的1个所述耦合器以使剩余的1个所述耦合器成为中心耦合器；所述5个所述耦合器保留一个光栅输入端和一个光栅输出端，并保留一个光栅输入端和一个光栅输出端连接待测硅光探测器PD；将除保留的两个光栅输入端和两个光栅输入端外的其他光栅输入端和光栅输出端连接波导终结损耗器件；

与所述中心耦合器的其中一个光栅输入端及其直通端连接的耦合器分别为第一耦合器和第二耦合器，与所述中心耦合器的另一个光栅输入端及其直通端连接的耦合器分别为第三耦合器和第四耦合器；

所述第一耦合器与所述中心耦合器连接的光栅输出端为保留的一个光栅输入端的交叉端，保留的一个光栅输出端为所述第二耦合器与所述中心耦合器连接的光栅输入端的交叉端，所述第三耦合器与所述中心耦合器连接的光栅输出端为保留的另一个光栅输入端的直通端，保留的另一个光栅输出端为所述第四耦合器与所述中心耦合器连接的光栅输入端的直通端；

所述待测硅光探测器PD分别连接所述第三耦合器与所述第四耦合器上保留的光栅输入端和光栅输出端。

本发明还提供一种硅光芯片探测器响应度测试方法，基于上述的探测器响应度测试装置，包括：

测量校准结构的第一插损信息，所述第一插损信息包括光栅校准结构的插损信息或者光栅校准结构的插损信息和耦合器校准结构的插损信息；

测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息；

向所述响应度测试结构输入光束并测量耦合状态的待测探测器输出的第一光电流I1；

变更输入到所述响应度测试结构的光束的端口并测量耦合状态的待测探测器输出的第二光电流I2；

根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度。

优选地，测量所述校准结构的第一插损信息包括：

测量光栅校准结构中波导直连的两个光栅的插损信息L1+L2；

测量耦合器校准结构的交叉端插损信息，再减去光栅校准结构插损信息后得到耦合器的交叉损耗L_cross；

测量耦合器校准结构的直通端插损信息，再减去光栅校准结构插损信息后得到耦合器的直通损耗L_through。

优选地，测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息包括：

响应度测试结构中两个光栅分别作为输入端和输出端时，测试得到损耗L_test。

优选地，根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度包括：

根据如下公式计算待测探测器的响应度R_real：

I1为向所述探测器响应度测试结构输入光束测量的待测探测器输出的第一光电流；

I2为变更输入到所述探测器响应度测试结构的光束的端口测量的待测探测器输出的第二光电流；

P为光源的出光功率。

优选地，测量所校准结构的第一插损信息包括：

测量光栅校准结构中波导直连的两个光栅的插损信息L1+L2。

优选地，测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息包括：

响应度测试结构中两个光栅分别作为输入端和输出端时，测试得到损耗L_test。

优选地，根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度包括：

根据如下公式计算待测探测器的响应度R_real：

I1为向所述探测器响应度测试装置输入光束测量的待测探测器输出的第一光电流；

I2为变更输入到所述探测器响应度测试装置的光束的端口测量的待测探测器输出的第二光电流；

P为光源的出光功率。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明实施例中，采用对称结构，使得探测器测试的光栅输入端口与光栅输出端口在不移动探针、芯片、耦合光纤的情况下就可以互换，可以准确测试得到硅光芯片探测器的响应度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

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

图1为现有技术中的硅光芯片探测器测试结构的示意图；

图2为本发明实施例的硅光芯片探测器响应度测试装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的硅光芯片探测器响应度测试装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的硅光芯片探测器响应度测试方法的流程图。

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，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图2所示，本发明实施例提供一种硅光芯片探测器响应度测试装置，包括：光栅校准结构、耦合器校准结构以及响应度测试结构；

所述光栅校准结构包括直波导、以及连接在所述直波导两端的2个光栅耦合端口21、22，其中一个光栅耦合端口21作为光栅输入端，另一个光栅耦合端口22作为光栅输出端；

所述耦合器校准结构包括校准耦合器27、以及与所述校准耦合器通过波导相连的4个光栅耦合端口23、24、25、26；

所述响应度测试结构包括测试耦合器210、与所述测试耦合器通过波导相连的两个光栅耦合端口28、29，以及与所述测试耦合器通过波导相连的待测硅光探测器PD，所述光栅耦合器为2×2耦合器，其中一个所述光栅耦合端口28为另一个所述光栅耦合端口29的直通端，所述待测硅光探测器PD设置有两个连接端口连接所述测试耦合器，其中一个所述连接端口为另一个所述连接端口的直通端。

如图1所示，传统的硅光芯片探测器测试结构使用1×2耦合器15(coupler)的入光结构设计，利用光栅或者水平耦合结构作为耦合输入端口13、输出端口14。探测器16的测试需要分别使用输入及输出两根光纤用于监测探测器的插损，由于垂直耦合时，很难保证两根光纤相对于光栅的耦合角度完全相同，使得实际输入、输出两端口的插损会有所差异。

本发明实施例中，测试耦合器210为2×2耦合器，采用对称结构，使得硅光探测器PD测试的光栅输入端口28与光栅输出端口29在不移动探针、芯片、耦合光纤的情况下就可以互换。

如图3所示，本发明实施例还提供一种硅光芯片探测器响应度测试装置，包括：光栅校准结构以及响应度测试结构；

所述光栅校准结构包括直波导、以及连接在所述直波导两端的2个光栅耦合端口31、32，其中一个光栅耦合端口31作为光栅输入端，另一个光栅耦合端口32作为光栅输出端；

所述响应度测试结构包括：五个耦合器；每个所述耦合器包括通过波导相连4个光栅耦合端口，所述耦合器为2×2耦合器，其中两个光栅耦合端口作为光栅输入端，另外两个光栅耦合端口作为光栅输出端；其中，按照光栅输入端与光栅输出端相连接的规则将4个所述耦合器接入剩余的1个所述耦合器以使剩余的1个所述耦合器成为中心耦合器36；所述5个所述耦合器保留一个光栅输入端和一个光栅输出端，并保留一个光栅输入端和一个光栅输出端连接待测硅光探测器PD；将除保留的两个光栅输入端和两个光栅输入端外的其他光栅输入端和光栅输出端连接波导终结损耗器件；

与所述中心耦合器36的其中一个光栅输入端及其直通端连接的耦合器分别为第一耦合器和第二耦合器，与所述中心耦合器36的另一个光栅输入端及其直通端连接的耦合器分别为第三耦合器和第四耦合器；

所述第一耦合器与所述中心耦合器36连接的光栅输出端为保留的一个光栅输入端的交叉端，保留的一个光栅输出端为所述第二耦合器与所述中心耦合器36连接的光栅输入端的交叉端，所述第三耦合器与所述中心耦合器36连接的光栅输出端为保留的另一个光栅输入端的直通端，保留的另一个光栅输出端为所述第四耦合器与所述中心耦合器36连接的光栅输入端的直通端；

所述待测硅光探测器PD分别连接所述第三耦合器与所述第四耦合器上保留的光栅输入端和光栅输出端。

如图4所示，本发明实施例一种硅光芯片探测器响应度测试方法，基于上述的探测器响应度测试装置，包括：

S101、测量校准结构的第一插损信息，所述第一插损信息包括光栅校准结构的插损信息或者光栅校准结构的插损信息和耦合器校准结构的插损信息；

S102、测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息；

S103、向所述响应度测试结构输入光束并测量耦合状态的待测探测器输出的第一光电流I1；

S104、变更输入到所述响应度测试结构的光束的端口并测量耦合状态的待测探测器输出的第二光电流I2；

S105、根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度。

本发明实施例可以通过两种方式获得待测探测器的响应度，其中，方式一利用使用一个2×2耦合器来构建响应度测试结构，这种结构需要两个辅助的校准结构，包括波导直连的两个光栅用于测试输入光栅和输出光栅的插损，包括一个2×2耦合器用于测试耦合器交叉端和直通端的插损，方式二利用五个2×2耦合器来构建响应度测试结构，该方式只需要一个辅助的校准结构，只需波导直连的两个光栅用于测试输入光栅和输出光栅的插损。

如图2所示，本发明实施例中，对于方式一、步骤S101测量所述校准结构的第一插损信息包括：

测量光栅校准结构中波导直连的两个光栅的插损信息L1+L2；

测量耦合器校准结构的交叉端(23-26/24-25)插损信息，再减去光栅校准结构插损信息后得到耦合器的交叉损耗L_cross；

测量耦合器校准结构的直通端(23-25/24-26)插损信息，再减去光栅校准结构插损信息后得到耦合器的直通损耗L_through。

本发明实施例中，步骤S102测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息包括：

响应度测试结构中两个光栅分别作为输入端和输出端时，测试得到损耗L_test。

本发明实施例中，对于方式一、步骤S105中，根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度包括：

根据如下公式计算待测探测器的响应度R_real：

I1为向所述探测器响应度测试结构输入光束测量的待测探测器输出的第一光电流；

I2为变更输入到所述探测器响应度测试结构的光束的端口测量的待测探测器输出的第二光电流；

P为光源的出光功率。

如图3所示，本发明实施例中，方式二是对方式一进行的改进。方式一中的响应度测试需要两个校准结构，其原因在于方式一响应度测试结构中光栅到光栅的插损与光栅到探测器的插损不一致，这是由于2×2耦合器的交叉端和直通的损耗存在差异导致的。所以在校准结构中需要先测试得到交叉端和直通端的插损才可以计算得到准确的响应度。方式二中使用了五个2×2耦合器来构建响应度测试结构，方式二中的结构保证了光栅到光栅的插损与光栅到探测器的插损相同，因此在计算得到准确的响应度时只需要一个波导直连的两个光栅的校准结构用于测试输入输出两个光栅的总插损。使用方式二在测试步骤以及计算步骤上都比方式一要更为简便。

本发明实施例中，对于方式二、步骤S101测量所校准结构的第一插损信息包括：

测量光栅校准结构中波导直连的两个光栅的插损信息L1+L2。

本发明实施例中，对于方式二、步骤S102测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息包括：

响应度测试结构中两个光栅分别作为输入端和输出端时，测试得到损耗L_test。

本发明实施例中，对于方式二、步骤S105中，根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度包括：

根据如下公式计算待测探测器的响应度R_real：

I1为向所述探测器响应度测试装置输入光束测量的待测探测器输出的第一光电流；

I2为变更输入到所述探测器响应度测试装置的光束的端口测量的待测探测器输出的第二光电流；

P为光源的出光功率。

实施例1

结合图2说明本实施例的测试过程：

图2中21、22为光栅校准结构中有光波导直接相连的两个光栅；23、24、25、26为2×2耦合器校准结构中的四个光栅，27为2×2耦合器；28、29为探测器测试结构中的两个光栅，210为2×2耦合器，211为待测探测器。

使用该测试结构的测试步骤如下：

测试光栅校准结构21到22的插损，大小为L1+L2；

测试2×2耦合器校准结构的插损，测试23到26的插损，大小为L1+L2+L_cross，测试23到25的插损，大小为L1+L2+L_thorugh，根据步骤1的测试结果可以计算出L_cross，L_through；

设置光源的出光功率为p，入光端口为28，出光端口为29，调整到最佳耦合状态之后记录探测器的输出光电流I1；

设置光源的出光功率为p，入光端口为29，出光端口为28，调整到最佳耦合状态之后记录探测器的输出光电流I2；

将I1、I2、L1+L2、L_cross带入R_real的计算公式就可以计算得到准确的响应度。

R_real的计算公式如下：

L_test＝L₁+L_through+L₂

其中R1为28作为输入端口时，计算得到的响应度：

其中R2为29作为输入端口时，计算得到的响应度：

实施例2

结合图3说明本实施例的测试过程：

图3中31、32为光栅校准结构中有光波导直接相连的两个光栅；33、34为响应度测试结构中的两个光栅；35为波导终结，用于吸收多余的光；36为2×2耦合器；37为待测探测器。

使用该测试结构的测试流程如下：

测试光栅校准结构31到32的插损，大小为L1+L2；

测试33到34的插损，记录为L_test，大小为L1+L_cross+L_through+L_cross+L2；

设置光源的出光功率为p，入光端口为33，出光端口为34，调整到最佳耦合状态之后记录探测器的输出光电流I1；

设置光源的出光功率为p，入光端口为34，出光端口为33，调整到最佳耦合状态之后记录探测器的输出光电流I2；

将I1、I2、L1+L2、L_test带入R_real的计算公式就可以计算得到准确的响应度。

R_real的计算公式如下：

其中R1为33作为输入端口时，计算得到的响应度：

L_test＝L₁+L_cross+L_through+L_cross+L₂

其中R2为34作为输入端口时，计算得到的响应度：

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种硅光芯片探测器响应度测试装置，其特征在于，包括：光栅校准结构、耦合器校准结构以及响应度测试结构；

所述光栅校准结构包括直波导、以及连接在所述直波导两端的2个光栅耦合端口，其中一个光栅耦合端口作为光栅输入端，另一个光栅耦合端口作为光栅输出端；

所述耦合器校准结构包括校准耦合器、以及与所述校准耦合器通过波导相连的4个光栅耦合端口；

所述响应度测试结构包括测试耦合器、与所述测试耦合器通过波导相连的两个光栅耦合端口，以及与所述测试耦合器通过波导相连的待测硅光探测器PD，所述光栅耦合器为2×2耦合器，其中一个所述光栅耦合端口为另一个所述光栅耦合端口的直通端，所述待测硅光探测器PD设置有两个连接端口连接所述测试耦合器，其中一个所述连接端口为另一个所述连接端口的直通端。

2.一种硅光芯片探测器响应度测试装置，包括：光栅校准结构以及响应度测试结构；

所述光栅校准结构包括直波导、以及连接在所述直波导两端的2个光栅耦合端口，其中一个光栅耦合端口作为光栅输入端，另一个光栅耦合端口作为光栅输出端；

所述响应度测试结构包括：五个耦合器；每个所述耦合器包括通过波导相连4个光栅耦合端口，所述耦合器为2×2耦合器，其中两个光栅耦合端口作为光栅输入端，另外两个光栅耦合端口作为光栅输出端；其中，按照光栅输入端与光栅输出端相连接的规则将4个所述耦合器接入剩余的1个所述耦合器以使剩余的1个所述耦合器成为中心耦合器；所述5个所述耦合器保留一个光栅输入端和一个光栅输出端，并保留一个光栅输入端和一个光栅输出端连接待测硅光探测器PD；将除保留的两个光栅输入端和两个光栅输入端外的其他光栅输入端和光栅输出端连接波导终结损耗器件；

与所述中心耦合器的其中一个光栅输入端及其直通端连接的耦合器分别为第一耦合器和第二耦合器，与所述中心耦合器的另一个光栅输入端及其直通端连接的耦合器分别为第三耦合器和第四耦合器；

所述第一耦合器与所述中心耦合器连接的光栅输出端为保留的一个光栅输入端的交叉端，保留的一个光栅输出端为所述第二耦合器与所述中心耦合器连接的光栅输入端的交叉端，所述第三耦合器与所述中心耦合器连接的光栅输出端为保留的另一个光栅输入端的直通端，保留的另一个光栅输出端为所述第四耦合器与所述中心耦合器连接的光栅输入端的直通端；

所述待测硅光探测器PD分别连接所述第三耦合器与所述第四耦合器上保留的光栅输入端和光栅输出端。

3.一种硅光芯片探测器响应度测试方法，基于权利要求1或权利要求2所述的探测器响应度测试装置，其特征在于，包括：

测量校准结构的第一插损信息，所述第一插损信息包括光栅校准结构的插损信息或者光栅校准结构的插损信息和耦合器校准结构的插损信息；

测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息；

向所述响应度测试结构输入光束并测量耦合状态的待测探测器输出的第一光电流I1；

变更输入到所述响应度测试结构的光束的端口并测量耦合状态的待测探测器输出的第二光电流I2；

根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，测量所述校准结构的第一插损信息包括：

测量光栅校准结构中波导直连的两个光栅的插损信息L1+L2；

测量耦合器校准结构的交叉端插损信息，再减去光栅校准结构插损信息后得到耦合器的交叉损耗L_cross；

测量耦合器校准结构的直通端插损信息，再减去光栅校准结构插损信息后得到耦合器的直通损耗L_through。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息包括：

响应度测试结构中两个光栅分别作为输入端和输出端时，测试得到损耗L_test。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度包括：

根据如下公式计算待测探测器的响应度R_real：

I1为向所述探测器响应度测试结构输入光束测量的待测探测器输出的第一光电流；

I2为变更输入到所述探测器响应度测试结构的光束的端口测量的待测探测器输出的第二光电流；

P为光源的出光功率。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，测量所校准结构的第一插损信息包括：

测量光栅校准结构中波导直连的两个光栅的插损信息L1+L2。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，测量所述响应度测试结构的光栅输入端口和光栅输出端口之间的第二插损信息包括：

响应度测试结构中两个光栅分别作为输入端和输出端时，测试得到损耗L_test。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述第一插损信息、第二插损信息、第一光电流I1和第二光电流I2计算获得待测探测器的响应度包括：

根据如下公式计算待测探测器的响应度R_real：

I1为向所述探测器响应度测试装置输入光束测量的待测探测器输出的第一光电流；

I2为变更输入到所述探测器响应度测试装置的光束的端口测量的待测探测器输出的第二光电流；

P为光源的出光功率。

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