CN114046740B - 一种测量光波导模场直径的系统 - Google Patents

一种测量光波导模场直径的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量光波导模场直径的系统，属于光学测量领域。包括光路系统、位移系统和计算方法三部分，光路系统包括激光器、标准光纤探针、传输光纤和光功率计，其中激光器作为系统的光源，提供稳定的光输入，标准光纤探针作为系统的扫描探头，实现对于波导输出光面能量的扫描，光功率计用于接收光纤探针扫描波导端面时进入探针的功率；位移系统主要包括波导支架、位移平台和压电控制器三部分，其中波导支架用于夹持待测波导，位移平台用于夹持标准光纤探针，压电控制器则是实现对位移平台夹持的标准光纤探针扫描路径的控制，是系统的扫描控制核心。而计算方法则主要包含四个参数的测量与一个计算公式，测量参数为光纤探针直径、光波导Z方向上、下半部分卷积模场直径和Y方向模场直径，而计算公式则是测量得到上述参数与光波导原模场直径之间的函数，可通过推导给出的公式计算得到光波导原模场直径。本发明可实现传统光波导模场直径的高精度测量。

Description

一种测量光波导模场直径的系统
技术领域：
本发明涉及光波导模场分布模场直径测量，具体为一种测量光波导模场直径的系统。
背景技术
光波导模场直径(MFD)是评价波导性能的重要参数之一，在波导特性研究、波导制作、生产和质量控制中有着广泛的应用。在光通信领域，广泛采用损耗低、色散小、传输容量大的单模光纤作为传输介质，光通信链路中使用的光波导器件往往需要与之匹配，以满足单模传输条件。而满足单模传输条件的光学波导器件芯径较小，因此准确测量光学波导器件的MFD就存在一定的困难。
目前光波导MFD测量方法主要有远场扫描法、可变孔径法和近场扫描法。远场扫描法是将波导固定在转台中心，探测器固定在转台边缘，转动转台改变光波导和探测器的相对角度，记录光强下降到最大强度1/e时的角度，再根据发散角和直径的关系可反推出光波导的MFD。但使用远场法测光波导MFD的测量精度受角度控制准确度的制约，该方法测量精度较低，应用面较窄。远场可变孔径法则是将探测器放置在可变孔径光阑后对波导端面的光强进行探测，通过缩小光阑开口直径使输出到探测器的光强下降到孔径光阑全开时的1-(1/e)2，再根据张角和模场直径关系反推得到光波导的MFD。可变孔径法与远场测量法具有等效性，该方法光路简单，易于搭建，但光阑孔径的开口直径变化精度严重制约着此方法的测量精度，若可变孔径光阑的精度不高，则会使测量精度大打折扣。近场扫描法则是通过光学成像的方式将光波导端面光强分布成像在面阵探测器上，再通过对所接收到的光强信息进行处理，确定光强下降到峰值强度(1/e)2的位置，根据物象关系计算两点间的距离得到光波导的MFD。与远场扫描法和可变孔径法相比，近场波导模场直径测量法可对非对称结构的光波导器件的模场参数进行测量，但由于光波导端面的模场光强分布对比度较差，不易确定像面是否清晰成像，难以准确确定物像关系，故该方法的成像精度和测量准确度也会受到一定的影响。
发明内容：
针对现有的几种光波导模场测量方法存在的测量精普遍不高，各方法优缺点明显，本发明提出了一种测量光波导模场直径的系统。
本发明采用的具体方案：一种测量光波导模场直径的系统包括：激光器、标准光纤探针、传输光纤、探测器、波导支架、位移平台、压电控制器7部分。首先将一端耦合一段未耦合的光波导放置在波导支架、上，光波导靠近激光器、的一端为耦合好光纤的一端，远离激光器的一端为未耦合光纤的待测光波导端面；再将激光器、传输光纤、光波导依次连接，形成输入光路；然后将标准光纤探针与探测器连接，形成探测光路；最后将标准光纤探针夹持在位移平台上，将压电控制器与位移平台连接，调节位移平台，将标准光纤探针移动到距离光波导前方1个波长(1550nm)附近，并使标准光纤探针正对光波导端面。激光器作为光源产生激光，光通过传输光纤进入光波导，光在光波导中传输过程中能量重新分布并传输到光波导另一端，标准光线探针将铌酸锂光波导端面输出的光引导到探测器进行探测，然后调节压电控制器使位移平台，保持标准光纤探针与光波导端面间距不变，并在Y、Z方向进行扫描，获得光波导端面两个方向上的卷积模场参数，最后利用模场计算方法根据测量参数反算得到光波导模场直径。
激光器(1)的中心波长为1550nm，激光器(1)的种类为DFB激光器。
光链路所使用的传输光纤(3)为中心波长为1550nm的单模保偏光纤。
待测量的光波导一端耦合了光纤，另一端未耦合光纤，未耦合光纤的一端需要被抛光。
标准光纤探针(2)为已知模场直径且被光纤切割刀切割过的标准单模光纤。
压电控制器控制的位移平台(6)在水平及竖直方向上，即Y和Z方向实现纳米级的微小位移。
测量时光纤探针与光波导之间的间距小于1个波长1550nm。
激光器(1)波长稳定度为±0.01nm，功率稳定度为±0.05dB。
对于钛扩散光波导器件，利用光纤探针端面扫描获得卷积场模场直径为α1，根据计算可求得其沿Y方向的光波导模场直径MFD为：
Figure BDA0003376687980000021
其中，Wf为标准光纤探针(2)的纤芯直径；
沿Z方向的上半、下半模场直径β与γ分别为：
Figure BDA0003376687980000022
Figure BDA0003376687980000023
其中，β1与γ1分别表示扫描得到的卷积场模场上、下半支直径。
有益效果
本发明所述的一种光波导模场直径测量系统可以实现光波导模场直径的高精度测量，方便实验室、工厂等对光波导模场直径的测量。
附图说明
图1、光纤端面扫描的近场光纤波导模场测量系统示意图；
图2、光纤探针扫描示意图；
图3、通过光纤探针获取的Y方向卷积场分布；
图4、实测Z方向光纤探针扫描端面模场分布。
具体实施方式
一种测量光波导模场直径的系统的测试系统为：首先将一端耦合一段未耦合的光波导放置在波导支架、上，光波导靠近激光器、的一端为耦合好光纤的一端，远离激光器的一端为未耦合光纤的待测光波导端面；再将激光器、传输光纤、光波导依次连接，形成输入光路；然后将标准光纤探针与探测器连接，形成探测光路；最后将标准光纤探针夹持在位移平台上，将压电控制器与位移平台连接，调节位移平台，将标准光纤探针移动到距离光波导前方1个波长(1550nm)附近，并使标准光纤探针正对光波导端面。激光器作为光源产生激光，光通过传输光纤进入光波导，光在光波导中传输过程中能量重新分布并传输到光波导另一端，标准光线探针将铌酸锂光波导端面输出的光引导到探测器进行探测，然后调节压电控制器使位移平台，保持标准光纤探针与光波导端面间距不变，并在Y、Z方向进行扫描，获得光波导端面两个方向上的卷积模场参数，最后利用模场计算方法根据测量参数反算得到光波导模场直径。
模场计算方法可由以下方法推导得到：
由于扫描光纤探针和光波导直径相差不大，得到的功率分布曲线并不能直接反映光波导端面的模场分布，但是曲线中包含着有关光波导模场直径的信息，因此需要分析光纤扫描光波导的模场分布变化的过程，给出如下光波导MFD和卷积强度分布曲线的建模过程及关系：由于钛扩散波导芯片制作工艺成熟，具有良好的调制特性，是目前应用最为广泛的波导之一，因此本文针对钛扩散波导模场直径测量的相关计算、仿真以及实验展开研究。因为钛扩散波导近场模场分布在Y方向满足高斯分布，Z方向满足半高斯分布，即上半支和下半支函数均为高斯函数，但其半高全宽不同，因此钛扩散光波导在YOZ平面上的模场分布函数fw(y,z)可表示为：
Figure BDA0003376687980000031
式中α为光波导Y方向的模场直径，β为光波导Z方向上半部分模场直径，γ为光波导Z方向下半部分的模场直径，A1，A2为强度系数。
用于扫描的光纤探针的光模场分布也满足高斯分布，光纤在YOZ平面上的模场分布可表示为：
Figure BDA0003376687980000032
式中Wf为光纤探针的纤芯直径，Af为强度系数。
根据其形式可以看出，光波导端面光场经光纤探针端面扫描后得到的卷积场分布与光波导的光场分布相似，在Y方向依旧满足高斯函数，在Z方向满足半高斯分布，即上半支和下半支函数均为高斯函数，设卷积模场Y方向的模场直径为α1，Z方向上半支模场直径为β1，Z方向下半支模场直径为γ1。
光波导模场直径的计算：对于钛扩散光波导器件，其最重要的光模场参数是沿波导中心的Y方向的模场直径与沿Z方向的模场直径，即令z＝0，可得到沿Y方向的强度分布曲线，令y＝0，可得到沿Z方向的强度分布曲线。对于Y方向，波导的模场直径Wy为光波导光场强度下降到最大值(1/e)2处时的宽度；利用光纤探针端面扫描获得卷积场模场直径为α1，根据计算可求得其沿Y方向的MFD为：
Figure BDA0003376687980000041
对于Z方向，光波导模场的上半强度模场直径为光强最大值到其左边最大强度(1/e)2处的宽度的2倍，下半强度模场直径为光强最大值到其右边最大强度1/e处的宽度的2倍。Z方向上半部分卷积场模场直径为β1，Z方向下半部分的卷积场模场直径为γ1。则根据计算可以分别求得沿Z方向的上半、下半模场直径β与γ分别为：
Figure BDA0003376687980000042
Figure BDA0003376687980000043
因此，根据上述理论分析可知，对于钛扩散光波导Y方向，通过扫描卷积模场的MFD(α1)，即可反推求解波导沿该方向的模场直径α；对于Z方向，当已知扫描得到的卷积场模场上下半支直径β1与γ1，便可求解波导沿该方向的模场上下半只的模场直径β与γ。
光纤作为一种特殊的光波导，由于其模场分布均匀，上下半支模场直径相同，该方法亦可以实现对于其模场直径的测量。
因此可以以测一段已知模场直径的光纤为例对此方法进行测试。首先将待测光纤一端进行端面抛光，抛光后待测光纤夹持在波导支架上，再将激光器、传输光纤、待测光纤依次连接，形成输入光路；然后将标准光纤探针与探测器连接，形成探测光路；最后将标准光纤探针夹持在位移平台上，将压电控制器与位移平台连接，调节位移平台，将标准光纤探针移动到距离待测光纤前方1个波长(1550nm)附近，并使标准光纤探针正对待测光纤端面。激光器作为光源产生激光，光通过传输光纤进入待测光纤，光在光纤中传输，能量重新分布并传输到光波导另一端，标准光纤探针将铌酸锂光波导端面输出的光引导到探测器进行探测，然后调节压电控制器使位移平台，保持标准光纤探针与待测光波导端面间距不变，并在Y、Z方向进行扫描，获得待测光波导端面两个方向上的卷积模场参数。
测试中，利用波长为1550nm的分布反馈(DFB)激光器产生激光，功率为10mW，线宽为2MHz。扫描光纤探针固定在压电陶瓷位移台上，通过压电控制器实现光纤探针的高精度位移，光纤探针沿Y、Z方向的移动距离为20μm，位移精度为±2nm，移动步数为375步，即设定光纤单步步长位移为53nm。待测波导为钛扩散工艺制作的直波导，其在Y方向的模场分布满足高斯分布，在Z方向的模场分布满足半高斯分布。在测量光波导Y方向光功率时，分别使用三种不同尺寸型号的光纤，其Wf分别为5.9μm，6.04μm，10.55μm。实验测得的Y方向的卷积模场分布如图3所示。
图中，中灰色，浅灰色，深灰色分别为Wf为5.91μm，10.55μm，6.04μm的光纤沿光波导Y方向扫描得到的强度分布曲线，可获得卷积场的模场直径，根据测得的卷积模场直径α1，可反推得在三种不同直径光纤扫描下得到的光波导Y方向模场直径α如表1所示：
对于Z方向，实验条件与Y方向相同，也使用Wf分别为5.9μm，6.04μm，10.55μm的三种光纤探针进行扫描，测得的Z方向卷积模场分布曲线如图4所示。再根据模场计算方法得到光波导Z方向上半只和下半只的模场直径β和γ，结果如表2所示。
根据表1和表2中所测量的卷积模场直径，可以发现随着扫描光纤直径的减小，这与仿真结果的变化趋势相同。根据计算的Y方向光波导模场直径和Z方向光波导上下半只模场半径，可以发现使用不同直径光纤探针得到的光波导Y方向模场直径与Z方向上下半支模场半径具有很好的一致性。
从上述测试实例中可以发现，测试系统的测试结果及其接近标准光纤的模场测试结果，足以证明测试的正确性和测试精度。
上述实施案例中，待测波导可以为光纤和任意光斑满足高斯分布光的波导，但是待测波导一端必须连接光纤，另一端抛光用于扫描测量。
表格1扫描光纤直径与Y方向光波导直径的关系
Figure BDA0003376687980000051
表格2扫描光纤直径与Z向光波导和卷积场模场直径的关系
Figure BDA0003376687980000052

Claims (9)

1.一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于包括：激光器(1)、标准光纤探针(2)、传输光纤(3)、探测器(4)、波导支架(5)、位移平台(6)、压电控制器(7)组成；首先将一端耦合一端未耦合的钛扩散铌酸锂光波导放置在波导支架(5)上，钛扩散铌酸锂光波导靠近激光器(1)的一端为耦合好光纤的一端，远离激光器的一端为未耦合光纤的待测钛扩散铌酸锂光波导端面；再将激光器(1)、传输光纤(3)、钛扩散铌酸锂光波导依次连接，形成输入光路；然后将标准光纤探针(2)与探测器(4)连接，形成探测光路；最后将标准光纤探针(2)夹持在位移平台(6)上，将压电控制器(7)与位移平台(6)连接，调节位移平台(6)，将标准光纤探针(2)移动到距离钛扩散铌酸锂光波导前方1个波长1550nm附近，并使标准光纤探针(2)正对钛扩散铌酸锂光波导端面；激光器(1)作为光源产生激光，光通过传输光纤(3)进入钛扩散铌酸锂光波导，光在钛扩散铌酸锂光波导中传输过程中能量重新分布并传输到钛扩散铌酸锂光波导另一端，标准光纤探针(2)将钛扩散铌酸锂光波导端面输出的光引导到探测器(4)进行探测，然后调节压电控制器(7)使位移平台(6)保持标准光纤探针(2)与钛扩散铌酸锂光波导端面间距不变，并在Y、Z方向进行扫描，获得钛扩散铌酸锂光波导端面两个方向上的卷积模场参数，最后利用模场计算方法根据测量参数反算得到钛扩散铌酸锂光波导模场直径。
2.如权利要求1所述的一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于：激光器(1)的中心波长为1550nm，激光器(1)的种类为DFB激光器。
3.如权利要求1所述的一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于：光链路所使用的传输光纤(3)为中心波长为1550nm的单模保偏光纤。
4.如权利要求1所述的一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于：待测量的钛扩散铌酸锂光波导一端耦合了光纤，另一端未耦合光纤，未耦合光纤的一端需要被抛光。
5.如权利要求1所述的一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于：标准光纤探针(2)为已知模场直径且被光纤切割刀切割过的标准单模光纤。
6.如权利要求1所述的一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于：压电控制器控制的位移平台(6)在水平及竖直方向上，即Y和Z方向实现纳米级的微小位移。
7.如权利要求1所述的一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于：测量时标准光纤探针(2)与钛扩散铌酸锂光波导之间的间距小于1个波长1550nm。
8.如权利要求2所述的一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于：激光器(1)波长稳定度为±0.01nm，功率稳定度为±0.05dB。
9.如权利要求1所述的一种测量光波导模场直径的系统，其特征在于：对于钛扩散铌酸锂光波导器件，利用光纤探针端面扫描获得卷积场模场直径为α1，根据计算求得其沿Y方向的钛扩散铌酸锂光波导模场直径MFD为：
Figure FDA0003888610030000021
其中，Wf为标准光纤探针(2)的纤芯直径；
沿Z方向的上半、下半模场直径β与γ分别为：
Figure FDA0003888610030000022
Figure FDA0003888610030000023
其中，β1与γ1分别表示扫描得到的卷积场模场上、下半支直径。
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