CN114323587A - 一种波导损耗测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波导损耗测量系统，该系统包括：窄线宽可调谐激光器、光纤耦合器、光纤连接器、锥形光纤、待测波导、收集物镜、第一功率计探头、第二功率计探头、双通道功率计；窄线宽可调谐激光器的输出光经过光纤耦合器分成两束：其中一束作为参考光直接进入第一功率计探头；另外一束经过光纤连接器导入锥形光纤，并聚焦至波导内部，波导出射的光经收集物镜准直后入射到第二功率计探头；第一功率计探头和第二功率计探头与双通道功率计连接。本申请的系统能够有效消除由于光源功率随波长的变化、以及光源功率随时间的不稳定性等因素测量误差，可获得更加精准的自由光谱范围FSR曲线和波导损耗。

Description

一种波导损耗测量系统

技术领域

本发明属于波导领域，具体而言，涉及一种波导损耗测量系统。

背景技术

光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤。

波导中的传输损耗是衡量波导质量的重要参数，测量波导的传输损耗是波导在集成光电芯片中应用的重要前提。传统的测量波导传输损耗的方法主要有三种：(1)沿波导传播方向测量散射光；(2)直接测量波导的输入和输出光功率并进行比较；(3)“截断法”，即同时测量多根不同长度的波导透过光功率并进行比较。上述三种方法在实际应用中往往存在很大的局限性：方法(1)沿波导传光方向测量散射光，通过比较从芯片顶部测得的散射光随传输长度的变化计算波导损耗值，因此要求芯片顶面没有其他影响光散射的结构等，并对晶圆质量要求较高；方法(2)通过比较波导输入端和输出端的光功率计算波导损耗，因此需要提前知道波导输入端的光功率，而实际操作中不同波导的输入耦合效率差异很大而且很难获知，因此该方法同样受到限制；方法(3)通过比较不同长度的同种波导输出光强计算波导损耗，但是要求不同波导的单位长度损耗和耦合效率保持一致，在实际操作中很难实现。

发明内容

本申请提供了一种波导损耗测量系统，能够消除激光器自身功率变化对波导输出功率变化的影响，提高波导损耗测量的准确性。

本申请波导损耗测量系统包括：窄线宽可调谐激光器、光纤耦合器、光纤连接器、锥形光纤、待测波导、收集物镜、第一功率计探头、第二功率计探头、双通道功率计；

所述窄线宽可调谐激光器的输出光经过所述光纤耦合器分成两束：其中一束作为参考光直接进入第一功率计探头；另外一束经过光纤连接器导入锥形光纤，并聚焦至波导内部，波导出射的光经收集物镜准直后入射到第二功率计探头；所述第一功率计探头和第二功率计探头与双通道功率计连接。

其中，其中一束作为参考光直接进入第一功率计探头，所述系统记录功率为P_ref(λ)，P_ref(λ)与光源输出功率比值恒定，P_ref(λ)与光源输出功率的比值取决于光纤耦合器的分光比。

其中，另外一路光经过光纤连接器进入锥形光纤，并聚焦耦合进光波导，从光波导输出的激光经物镜收集后进入第二功率计探头，所述系统记录功率值P_out(λ)。

其中，所述双通道功率计通过所述第一功率计探头和第二功率计探头，同时记录P_ref(λ)和P_out(λ)的值，以及T(λ)＝P_out(λ)/P_ref(λ)。

其中，通过改变所述窄线宽可调谐激光器输出波长，可得到T(λ)随波长变化的曲线，即波导谐振腔的自由光谱范围FSR曲线；通过记录曲线每个周期中的最大值T_max和最小值T_min，即可通过下述公式计算获得波导损耗：

其中，l_wg为波导长度，R为端面反射率，T_min和T_max分别为干涉图谱的最小值和最大值。

本申请实施例波导损耗测量系统具有如下有益效果：

本申请波导损耗测量系统包括：窄线宽可调谐激光器、光纤耦合器、光纤连接器、锥形光纤、待测波导、收集物镜、第一功率计探头、第二功率计探头、双通道功率计；窄线宽可调谐激光器的输出光经过光纤耦合器分成两束：其中一束作为参考光直接进入第一功率计探头；另外一束经过光纤连接器导入锥形光纤，并聚焦至波导内部，波导出射的光经收集物镜准直后入射到第二功率计探头；第一功率计探头和第二功率计探头与双通道功率计连接。本申请通过引入参考光束，大大提升了测试的信噪比。本申请的系统能够同时记录光源输出功率P_ref(λ)和波导输出功率P_out(λ)，因此在计算T(λ)＝P_out(λ)/P_ref(λ)时，能够有效消除由于光源功率随波长的变化、以及光源功率随时间的不稳定性等因素引起的测量误差，可获得更加精准的自由光谱范围FSR曲线和波导损耗。

附图说明

图1为本申请实施例波导损耗测量系统的结构示意图；

图2为T(λ)随光源波长变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的介绍。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

目前常采用法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔(也称F-P腔)方法测试波导光传输损耗，该方法利用由波导入射面和出射面构成的F-P腔，腔端面严格垂直于波导的光传输方向。窄线宽光源耦合进入波导后，经F-P腔端面反射的形成干涉；通过改变光源波长可在出射端形成干涉图谱，根据干涉图谱中峰值和谷值的差异，可以利用下式计算出波导损耗α：

其中：l_wg为波导长度，R为端面反射率，T_min和T_max分别为干涉图谱的峰值和谷值。然而，在使用F-P腔方法测量波导传输损耗时，为获得精准的测量结果，需要不同波长的光源保持功率恒定。而实际操作中，通常使用窄线宽可调谐激光器作为入射光源，在调谐波长时，不同波长的输出很难保持一致，因此测得的曲线误差较大。为此，本发明提出一种基于双通道检测的波导损耗测量方法，通过引入参考光束，大大提升测试的信噪比。

如图1所示，本申请的波导损耗测量系统包括：窄线宽可调谐激光器1、光纤耦合器2、光纤连接器3、锥形光纤4、待测波导5、收集物镜6、第一功率计探头8、第二功率计探头7、双通道功率计9；窄线宽可调谐激光器1的输出光经过光纤耦合器2分成两束：其中一束作为参考光直接进入第一功率计探头8；另外一束经过光纤连接器3导入锥形光纤4，并聚焦至波导5内部，波导5出射的光经收集物镜6准直后入射到第二功率计探头7；第一功率计探头8和第二功率计探头7与双通道功率计9连接。

光纤耦合器是实现光信号功率在不同光纤间的分配或组合的光器件。利用不同光纤面紧邻光纤芯区中导波能量的相互交换作用构成。按所采用的光纤类型可分为多模光纤、单模光纤和保偏光纤耦合器等。

本申请中，窄线宽可调谐激光器1的输出光经过光纤耦合器2分成两束：其中一束作为参考光直接进入功率计探头，实时监测、记录光激光功率变化；另外一束经过光纤连接器3导入锥形光纤4，并聚焦至波导5内部，波导5出射的光经收集物镜6准直后入射到功率计探头7，随着激光器波长的变化，功率计探头记录的功率随之变化。利用双通道功率计读取两个功率计探头记录的光功率，通过比较可以消除激光器自身功率变化对波导输出功率变化的影响。

本申请中，窄线宽可调谐激光器1输出的某一波长的激光经过光纤耦合器2分成两路，其中一路直接进入第一功率计探头8，记录功率为P_ref(λ)，P_ref(λ)与光源输出功率比值恒定，P_ref(λ)与光源输出功率的比值取决于光纤耦合器2的分光比；另外一路光经过光纤连接器3进入锥形光纤4，并聚焦耦合进光波导5，从光波导输出的激光经物镜6收集后进入第二功率计探头7，并记录功率值P_out(λ)。第二功率计探头7和第一功率计探头8同时连接双通道功率计9，可同时记录P_ref(λ)和P_out(λ)的值，以及T(λ)＝P_out(λ)/P_ref(λ)。改变可调谐激光器1的输出波长，可得到T(λ)随波长变化的曲线(即图2中FSR曲线)。通过记录曲线每个周期中的最大值T_max和最小值T_min，即可通过下述公式计算获得波导损耗：

其中，l_wg为波导长度，R为端面反射率，T_min和T_max分别为干涉图谱的最小值和最大值。

从图2中可以看出，尽管激光光源功率随波长变化很大，但利用双通道检测的方法，可同时记录光源输出功率P_ref(λ)和波导输出功率P_out(λ)，因此在计算T(λ)＝P_out(λ)/P_ref(λ)时，能够有效消除由于光源功率随波长的变化、以及光源功率随时间的不稳定性等因素带来的影响，可获得更加精准的FSR曲线和波导损耗。

以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种波导损耗测量系统，其特征在于，包括：窄线宽可调谐激光器、光纤耦合器、光纤连接器、锥形光纤、待测波导、收集物镜、第一功率计探头、第二功率计探头、双通道功率计；

所述窄线宽可调谐激光器的输出光经过所述光纤耦合器分成两束：其中一束作为参考光直接进入第一功率计探头；另外一束经过光纤连接器导入锥形光纤，并聚焦至波导内部，波导出射的光经收集物镜准直后入射到第二功率计探头；所述第一功率计探头和第二功率计探头与双通道功率计连接。

2.根据权利要求1所述波导损耗测量系统，其特征在于，其中一束作为参考光直接进入第一功率计探头，所述系统记录功率为P_ref(λ)，P_ref(λ)与光源输出功率比值恒定，P_ref(λ)与光源输出功率的比值取决于光纤耦合器的分光比。

3.根据权利要求1或2所述波导损耗测量系统，其特征在于，另外一路光经过光纤连接器进入锥形光纤，并聚焦耦合进光波导，从光波导输出的激光经物镜收集后进入第二功率计探头，所述系统记录功率值P_out(λ)。

4.根据权利要求1-3任一项所述波导损耗测量系统，其特征在于，所述双通道功率计通过所述第一功率计探头和第二功率计探头，同时记录P_ref(λ)和P_out(λ)的值，以及T(λ)＝P_out(λ)/P_ref(λ)；所记录的T(λ)随波长变化曲线即为波导谐振腔的自由光谱范围FSR曲线。

5.根据权利要求1-3任一项所述波导损耗测量系统，其特征在于，通过改变所述窄线宽可调谐激光器输出波长，可得到T(λ)随波长变化的曲线；通过记录曲线每个周期中的最大值T_max和最小值T_min，即可通过下述公式计算获得波导损耗：

其中，l_wg为波导长度，R为端面反射率，T_min和T_max分别为干涉图谱的最小值和最大值。

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