CN1558211A - 用于确定光学部件的色散的设备与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于使以改进的方式确定样本(4)的色散成为可能。为此目的，在干涉仪(10)中利用辐射源(1)的光对样本(4)进行射线照射。随后的偏振光计(50)测量干涉辐射的功率变化及偏振变化。在随后的评价单元(7)中，可以确定与波长相关的色散。

Description

用于确定光学部件的色散的设备与方法
技术领域
本发明涉及用于确定样本或者光学部件的色散的设备，该设备包括用于发出具有不同波长的辐射的辐射源，被辐射源辐射用于产生由样本而定的干涉辐射的干涉仪装置，用于测量干涉辐射的功率变化和偏振变化的测量装置，以及用于根据功率变化和/或偏振变化来确定样本的色散的评价装置。另外，本发明涉及用于确定样本的色散的相应方法。
背景技术
在测量技术的发展中，在用于光学部件特征化的试验和测量装置方面，可以观察到两个用于缩短测量时间的趋势：
1.趋向于“扫频波长”系统的趋势
利用这样的系统，在波长逐步变化的同时并不是逐点地对测量参数进行测量，而是在测量数据被记录的同时，跨越待分析的波长范围连续地调节可调谐激光器。
2.趋向于全参数分析器的趋势
这种测量系统可以在仅有一个激光器扫过整个光谱测量范围的情况下，在较短时间内尽可能地、适当地且同时地拾取所有相关的参数。涉及光学部件时，上述相关的测量参数包括有：
-IL    插入损耗
-RL    回波损耗
-PDL   偏振相关损耗
-PMD   包括DGD(差分群时延)和PSP(偏振主态)的偏振模色散，以及
-CD   色散或者群时延。
下面描述的测量方法或者测量装置反映了这两个趋势。
关于CD(色散)的测量，总体上有两种不同的公知测量方法。一种基于相位延迟时间的电子测量，另一种基于相位延迟时间的光学测量。
图1中示出了一种以电学方式确定相位延迟时间的设备。可调谐激光器1的辐射在一调制器中，在例如0.1至5GHz的频率范围内被正弦调制。为此目的，调制器2由高频发生器3控制。调制后的光被发送透过样本4(DUT，待测设备)。光学检测器5检测经样本4作用后的调制光并向比较器6发送相应的电信号。该比较器将光学检测器5的电信号的相位与从高频发生器3接收到的相位信号进行比较。由这一电相位的比较以及可调谐激光器1的波长信息，评价单元7可确定色散。
在透射过样本或者测量对象DUT4的过程中，光经历了延迟，这表现为群时延。该群时延由相速度求导(derivation)计算出并与波长相关。与波长相关的群时延的求导，以ps/nm的单位给出了测量对象4的与波长相关的色散。
图2中示出了以光学方式确定相位延迟时间的一种设备，图2仍为框图。这里，在一干涉仪10中对测量对象4进行分析。在干涉仪10中，来自可调谐激光器1的光在第一耦合器11中被分开。这产生了两个光路，参考臂12和测量对象4所处的测量臂13。第二耦合器14引起来自参考臂12和测量臂13的两个光束的干涉。通过这一组合，两个信号场强度相加。在随后的光学检测器5中，发生向电叠加信号的转换，这与上述两个干涉仪臂中的相位位置、衰减和偏振转换相关，并与波长相关。该叠加信号接着与可调谐激光器1的波长信息一起，被发送至评价单元7用于确定色散。当波长被调节时，将产生周期性的检测器信号，该信号的周期与两个干涉仪臂中的群时延差有关。
该方法的不利之处在于，在光学检测器5中仅测量了来自两个干涉仪臂的总的功率。但是，由此两个臂中的偏振的相对位置将起到决定性的作用。在偏振相同的情况下，在可变化的波长处发生最大的功率波动。于是将很容易进行相位确定。与此相反，在正交偏振的情况下，在可变化的波长处无论如何不会发生功率波动，而只会发生偏振波动。这时相位确定将是不可能的。
因此，用于确定相位延迟差、或者色散的这一测量设备的一种改进型式设想以随偏振而定的方式设计光学检测器5。该设想的可能性之一在于使用如图3所示的包括两个光学检测器21和22的偏振分束器(PBS)20。通过该偏振分束器20，叠加的光束被分成两个正交偏振的光束部分。由光学检测器21和22检测的这两部分光束的功率被分别送至评价单元7。
利用这一测量配置可以测量到变化的偏振。当然，其前提条件是干涉仪臂12、13中的两个偏振不会恰巧与PBS20的自偏振相对应。因为在这种情况下检测器21、22中的每一个将对干涉仪臂12、13中的功率都进行测量，而且将不会发生可产生周期性叠加结果的两个功率的叠加。由于这个原因，传统上，在这一测量配置中必须提供偏振调整，例如通过偏振控制器30，这可确保来自参考臂12的功率将其自身近似平均地分开至检测器21、22。随后最好是对测量分支13中任何偏振可能进行的两个分支之间的相位比较。从专利文本EP1207377A2中可以知晓这样一种对测量对象的光学特性进行测量的装置。
但是，调整两个干涉仪分支中的偏振将包括大量的工作。不一定能假设在起始波长处被优化调整的偏振，在待检验的波长范围内的其它波长处，在参考臂12的末端可以被保持。通常，存在于参考臂12中的一些小的PMD所产生的偏振，将偏离其理想条件。
因此，本发明的目的在于提出一种方法和设备，能够更容易地确定色散并避免偏振调整的波长相关所产生的不利之处。另外，本发明的目的在于消除偏振分束器20的有限光学性能(消光系数，ER)可能产生的缺点。
发明内容
根据本发明，这一目的通过一种用于确定样本的色散的设备来实现，该设备包括用于发出具有不同波长的辐射的辐射源，被该辐射源照射以产生由样本而定的干涉辐射的干涉仪装置，用于测量干涉辐射的功率变化和偏振变化的测量装置，以及用于根据功率变化和偏振变化来确定样本的色散的评价装置，该测量装置包括偏振光计。
另外，根据本发明，设想了一种用于确定样本色散的方法，通过产生具有不同波长的辐射的电磁束，将该束分裂为参考束和用于对样本进行射线照射的测量束，将参考束与测量束叠加的同时保持一干涉束，测量干涉束的作为辐射波长的函数的功率变化和偏振变化，并在该功率变化和/或偏振变化的基础上确定样本的色散，测量通过使用偏振光计来执行。
该偏振光计确保由干涉仪中的干涉所引起的与波长相关的波动，能够独立于两个干涉仪分支中的偏振而被确定。这些波动包括功率和/或偏振波动，取决于来自干涉仪臂的两个偏振的相对位置。如果偏振是相同的，则仅发生功率波动，在正交偏振的情况下，则仅能测量到偏振波动。在通常偏振状态随机的情况下，同时发生功率波动和偏振波动，两者均被偏振光计精确拾取。在干涉仪之前不需要提供用于确保检测器单元中的特定偏振的偏振控制器。
优选地，该偏振光计可以是提供用于所有四个斯托克斯(Stokes)参数的测量值的完全偏振光计(complete polarimeter)。利用这四个斯托克斯参数，可以计算测量对象的许多光学特性。
由偏振光计所获得的测量数据，能够作为具有理想功率分布的虚拟偏振分束器所应该提供的测量数据而被容易地重新计算。该虚拟偏振分束器的两个正交偏振可以对任何波长进行定义，以便它们将来自参考臂的功率分开为两个相等幅值部分的功率，并因此可以检测到最大的(虚拟)功率波动。通过这种方式，可以降低参考臂中的偏振模色散的影响。优选地，光源由可调谐激光器组成。该可调谐激光器具有可发出按规定偏振的光的优点。
测量结果的分析基于由偏振光计所获得的与波长相关的斯托克斯参数(S0，S1，S2，S3)(λ)，这些参数中的每一个在参考扫描和测量扫描自身中被确定。所述的测量数据例如可以被追溯到理想的偏振分束器所应该确定的数据，因此也可以使用与现有技术相同的数学计算方法。
附图说明
通过附图将更详细地解释本发明，这些附图示出了：
图1根据现有技术的以电学方式确定群时延的测量配置的框图；
图2根据现有技术的以光学方式确定群时延的测量配置的框图；
图3根据现有技术的以光学方式确定群时延的另一测量配置的框图；和
图4根据本发明的以光学方式确定群时延的测量配置的框图。
具体实施方式
下文中描述的实施例为本发明的优选实施例。
图4所示的测量配置的结构基本上与图2的结构对应。相同标号的元件具有相同的功能。因此关于这些元件可以参考图2。但是，根据本发明，图2中的光学检测器被一偏振光计50所替代。关于图3的实施例，偏振光计50替代了包括两个检测器21和22的偏振分束器20。该偏振光计能够完全替代偏振分束器的功能，因为所测量的参数(四个斯托克斯参数S0，S1，S2和S3)可提供关于功率和偏振的信息，而对于正交偏振来说，其可以被容易地分成两个功率。这样，偏振光计与包括两个检测器21和22的偏振分束器20相比，具有相同的输入变量，但是具有更多的输出变量。偏振光计50能够代表一个具有下列优点的虚拟的偏振分束器PBS：
-可以自由地选择检测到的光在数学上能够被分开的两个正交偏振方向。例如，可以选择方向H/V(水平/垂直)、方向+45°/-45°或者方向R/L(右/左)，或者任意其它方向对。因此可以这样选择光在两个偏振方向中的分开，使得来自参考臂12的功率总是能理想化地分配为50∶50的两个虚拟部分功率。以这种方式，即使干涉仪的参考臂中的偏振在波长扫描期间变化，也可以灵活地设计两个偏振方向，同时仍保持50∶50的分裂。这种与波长相关的变化通常无法避免，并且是参考臂12中的PMD的微小影响的结果。但是，参考臂中PMD的干扰效应，在偏振光计的帮助下可以被消除。
偏振光计另外还具有这样的优点，既不必调整参考臂中的偏振，也不必调整干涉仪的输入偏振，以致偏振分束器上的功率分解变为对两个臂均不可以用。因此根据本发明，偏振控制器和优化偏振的处理对偏振光计的使用来说不再是必须的。例如，在全参数分析器的情况下，位于DUT之后的偏振光计已经存在，因此CD测量能在合理的成本下实现。
使用偏振光计的另外一个优点在于能够更精确地执行CD测量。如果偏振光计被非常精确地校准这一点就可以实现(比较题为“用于偏振光计的高度精确的校准方法和设备”，“Method and Device for theHighly Accurate Calibration of Polarimeters”的本申请的平行专利申请)，因此人们就不必受限于偏振分束器的20至30dB的相对较低的消光值(extinction values)。
于是，测量过程如下，首先，在测量通路被阻断的情况下，在参考扫描中，在待分析的整个范围内改变可调谐激光器的波长。在这一过程中偏振光计既测量与波长相关的功率又测量与波长相关的偏振状态。这一信息包含在与波长相关的斯托克斯参数(S0，S1，S2，S3)(λ)中。此后，激活测量臂，并同样以与波长相关的斯托克斯参数(S0，S1，S2，S3)(λ)的形式确定对应的叠加结果。这些数据用于与波长相关的群速度的数学计算，而对其求导可直接给出色散。
必须考虑到不仅仅是CD，测量对象中包含的PMD同样会影响测量结果。由于根据已实现的标准测量过程，作为与波长相关的DGD(差分群时延)及PSP(偏振主态)的PMD的细节已经是公知的，因此可以从测量结果中去除PMD的部分。

Claims (8)

1.一种用于确定样本(4)的色散的设备，包括
用于发出具有不同波长的辐射的辐射源(1)，
包括参考臂(12)和测量臂(13)的干涉仪装置(10)，该干涉仪装置被所述辐射源(1)照射用于产生由样本而定的干涉辐射，
测量装置，用于测量所述干涉辐射的功率变化和偏振变化，和
评价装置(7)，用于根据所述功率变化和偏振变化确定样本(4)的色散，
其特征在于
所述测量装置包括偏振光计(50)。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，两个正交偏振由所述偏振光计(50)以这样一种方式评价，使得来自所述干涉仪装置(10)的参考臂(12)的功率被分为具有相同幅值的两个功率部分。
3.根据权利要求1和2中任意一个的设备，其特征在于，所述辐射源(1)包括可调谐激光器。
4.根据权利要求1至3中任意一个的设备，其特征在于，在所述评价装置(7)中通过评价与波长相关的斯托克斯参数来确定色散。
5.一种用于确定样本(4)的色散的方法，包括下列步骤：
产生具有不同波长的辐射的电磁束，
将该电磁束分裂为参考束(12)和用于对样本(4)进行射线照射的测量束(13)，
叠加参考束和测量束同时保持一干涉束，
测量干扰束的作为辐射波长的函数的功率变化和偏振变化，
基于与波长相关的功率变化和偏振变化确定样本(4)的色散，
其特征在于
所述测量通过偏振光计(50)进行。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，用于确定功率变化的两个正交偏振状态由所述偏振光计(50)以这样一种方式选择，使得来自干涉仪装置(10)的参考臂(12)的功率被分为具有相同幅值的两个功率部分。
7.根据权利要求5和6中任意一个的方法，其特征在于，所述电磁辐射由可调谐激光器(1)产生。
8.根据权利要求5至7中任意一个的方法，其特征在于，根据由参考扫描和测量扫描产生的与波长相关的斯托克斯参数来确定色散。
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