DE60100469T2

DE60100469T2 - Wellenlängenmesser mit erhöhter Genauigkeit in einem breiten Wellenlängenbereich

Info

Publication number: DE60100469T2
Application number: DE60100469T
Authority: DE
Inventors: Thomas Jensen
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: EP1221599B1; EP1221599A1; DE60100469D1; US6912051B2; US20030076503A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Ermitteln der Wellenlänge optischer Signale.
Ermitteln der Wellenlänge optischer Signale ist eine weit verbreitete Aufgabe in optischen Anwendungen. Eine Beschreibung der häufigsten Grundzüge erfolgt in EP-A-1099943 . GB-A-2353858 beschreibt eine optische Wellenlängenmessvorrichtung, die integrierte Optik und Photodioden verwendet.
Genauigkeit und ein weiter Wellenlängenanwendungsbereich stellen zwingende Erfordernisse an Wellenlängenmesser dar. Im Allgemeinen liefen Wellenlängenmesser entweder eine hohe Genauigkeit über einen begrenzten Wellenlängenbereich, so wie absolute Wellenlängenreferenzen (z. B. Gaszellen) wie z. B. beschrieben in US-A-5,780,843 , oder Wellenlängenmesser zeigen einen weit anwendbaren Wellenlängenbereich mit limitierter Genauigkeit, wie z. B. in EP-A-875743 .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Wellenlängenmesser zu liefern. Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen werden durch die abhängigen Ansprüche gezeigt.
Ein Wellenlängenmesser nach der vorliegenden Erfindung weist zwei interferometrische Wellenlängenermittlungseinheiten auf und eine Evaluierungseinheit. In einem ersten Arbeitsmodus wird die Wellenlängenermittlungseinheit verwendet zum Ermitteln eines Referenzinterterogramms über einen Referenzwellenlängenbereich. Der Referenzwellenlängenbereich stellt vorzugsweise den ganzen anwendbaren Wellenlängenbereich für den Wellenlängenmesser dar oder deckt zumindest ein bekanntes Wellenlängenereignis ab. Das Referenzinterferogramm wird vorzugsweise mit reduzierter Wellenlängengenauigkeit geliefert zum Limitieren des erforderlichen Datenvolumens. In einem zweiten Arbeitsmodus werden sowohl die erste als auch die zweite Wellenlängenermittlungseinheit verwendet zum Liefern eines Interferogramms über eine Messwellenlängenbereich. Der Messwellenlängenbereich wird vorzugsweise kleiner ausgesucht als der Referenzwellenlängenbereich, um das Volumen des Datenerwerbs zu limitieren.
In einer vorteilhaften Ausführung erhält man das Interferogramm der ersten Wellenlängenermittlungseinheit mit im Wesentlichen mit derselben Genauigkeit als das Referenzinterferogramm, während die zweite Wellenlängenermittlungseinheit ein Interferogramm mit höherer (vorzugsweise deutlich höherer) Genauigkeit erhält.
Die Evaluierungseinheit empfängt die Interterogramme von der ersten und der zweiten Wellenlängenermittlungseinheit und vergleicht das erste Interferogramm von der ersten Wellenlängenermittlungseinheit mit dem Referenzinterterogramm, um die Offset-Phase dazwischen zu ermitteln. Die ermittelte Offset-Phase wird dann verwendet zum Justieren des zweiten Interferogramms, das von der zweiten Wellenlängenermittlungseinheit geliefert wird. Folglich kann das akkuratere Interferogramms, das von der zweiten Wellenlängenermittlungseinheit geliefert wird, durch das Referenzinterterogramm, das von der ersten Wellenlängenermittlungseinheit geliefert wird, kalibriert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung wird ein Wellenlängenreferenzpunkt verwendet zum Ermitteln einer Offset-Phase zwischen dem ersten und dem Referenzinterferogramm. Der Wellenlängenreferenzpunkt, der sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Referenzinterferogramm identifiziert ist, führt daher zu der Offset-Phase dazwischen. Der Wellenlängenreferenzpunkt kann z. B. ein Startpunkt des Wellenlängenbereichs des ersten Interferogramms sein oder jeder andere identifizierbare Wellenlängenpunkt. Vorzugsweise ist der Wellenlängenreferenzpunkt bereits bekannt (z. B. geliefert durch eine Signalquelle, die das Wellenlängensignal als Input für den Wellenlängenmesser liefert), aber kann auch ermittelt werden durch die Wellenlängenmesser, die vorzugsweise eine Grobwellenlängenermittlungseinheit verwenden wie in der Europäischen Anmeldung Nr. 0117607.2 beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausführung wird das Referenzinterferogramm kalibriert durch mindestens ein absolutes Wellenlängenmerkmal, das in dem Wellenlängenbereich abgedeckt ist. In diesem Fall kann das Interferogramm mit relativer höherer Genauigkeit, das von der zweiten Wellenlängenermittlungseinheit geliefert wird, durch das Referenzinterterogramm absolut kalibriert werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch Verwendung einer absoluten Wellenlängenreferenzeinheit wie einer Gaszelle, wie z. B. beschrieben in der Europäischen Anmeldung Nr. 01109135.2 , veröffentlicht als EP 1172637 A derselben Anmelderin.
Folglich kann der im Allgemeinen limitierte anwendbare Wellenlängenbereich der absoluten Wellenlängenreferenzeinheiten virtuell ausgedehnt werden und wird nur begrenzt durch die Genauigkeit der ersten Wellenlängenermittlungseinheit.
In einer vorteilhaften Ausführung werden der erste Arbeitsmodus (der das Referenzinterferogramm liefert) und der zweite Arbeitsmodus (der das erste und zweite Interferogramm in dem Messwellenlängenbereich liefert) innerhalb eines solchen Zeitintervalls durchgeführt, in dem die Umgebungsbedingungen für beide Messungen als im Wesentlichen gleich oder konstant angesehen werden können.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung werden der erste und der zweite Arbeitsmodus als ein Wellenlängenschwenk kombiniert. Folglich decken sich das Referenzinterferogramm und das erste Interferogramm und der Messwellenlängenbereich deckt sich mit dem Referenzwellenlängenbereich. In diesem Fall ist kein Phasen-Offset zu ermitteln (oder in anderen Worten, der Phasen-Offset ist automatisch Null), und das zweite Interferogramm wird automatisch auf das Referenzinterterogramm justiert.
Der Wellenlängenmesser der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden z.B. zum Überwachen eines Wellenängenschwenks einer in der Wellenlänge durchstimmbaren Lichtquelle oder zum Ermitteln diskreter Wellenlängenwerte. Im ersten Fall ermittelt der Wellenlängenmesser vorzugsweise die Wellenlängenvariation über der Zeit, welche verwendet werden kann zum Korrigieren von Messergebnissen wie detailliert beschrieben in der bereits genannten Europäischen Patentanmeldung Nr. 01109135.2, veröffentlicht als EP 1172637 A derselben Anmelderin. Die Lehre dieses Dokuments im Hinblick auf die Messkorrektur soll hiermit integriert werden. Im letzteren Fall kann ein diskreter Wellenlängenwert erhalten werden durch Verwenden eines Startwertes zum Ermitteln der Periode, welche den Wellenlängenwert abdeckt, und dann Detektieren des tatsächlichen Wellenlängenwertes innerhalb dieser Periode, wie detailliert beschrieben z. B. in der zuvor genannten EP-A-875743 .
Es ist klar, dass die Erfindung ganz oder teilweise ausgeführt oder unterstützt werden kann durch ein oder mehrere passende Softwareprogramme, welche gespeichert sein können oder anderweitig zur Verfügung gestellt durch jede Art von Datenträger, und welche ausgeführt werden kann in jeder passenden Datenverarbeitungseinheit. Insbesondere die Signalverarbeitung wie durch die Evaluierungseinheit durchgeführt, kann unter Verwendung von Software erfolgen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Vorteile und viele der begleitenden Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden gewürdigt und besser verständlich durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktional gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Referenzzeichen bezeichnet.
1 zeigt eine verbesserte Ausführung eines Wellenlängenmessers nach der vorliegenden Erfindung in einem Mess-Setup.
2 zeigt die Wellenlängenermittlung nach der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 liefert eine durchstimmbare Laserquelle 10 ein Lasersignal λ(t) mit variierenden Wellenlängen über der Zeit. Das Lasersignal λ(t) wird an eine zu testende Vorrichtung (DUT) 20 sowie an einen Wellenlängenmesser 30 geschickt. Der Wellenlängenmesser 30 weist eine erste und zweite Wellenlängenermittlungseinheit 40 und 50 auf, wobei jede das Lasersignal λ(t) empfängt und ein Output an eine Evaluierungseinheit 60 des Wellenlängenmessers 30 gibt. Eine Messeinheit 70 empfängt ein Antwortsignal von der DUT 20 auf das Lasersignal λ(t) sowie ein Output- Signal von der Evaluierungseinheit 60 (was auch ein Output des Wellenlängenmessers 30 darstellt).
Im Betrieb (wie dargestellt in 2) liefert die durchstimmbare Laserquelle 10 einen Wellenlängenschwenk λ(t) über einen weiten Wellenlängenbereich (im Beispiel der 2 über einen Wellenlängenbereich von 1520 bis 1620 nm). Die erste Wellenlängenermittlungseinheit 40 liefert ein Referenzinterferogramm 100 mit einer Periode p_r über den geschwenkten Wellenlängenbereich. In dem Beispiel der 2 liefert die erste Wellenlängenermittlungseinheit 40 das Interferogramm mit der Periode p_r von grob 4 pm und eine Wellenlängenzunahme von ungefähr 1 pm.
In einer vorteilhaften Ausführung wird das Referenzinterferogramm 100 kalibriert unter Verwendung von absoluten Wellenlängenmerkmalen 110 wie z. B. durch eine Gaszelle 115 geliefert. Details eines solchen Kalibrierungsprozesses werden detailliert beschrieben in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 01109135.2 , veröffentlicht als EP 1172637 A , derselben Anmelderin. Der Wellenlängenschwenk wird vorzugsweise ausgewählt, das Gaszellenspektrum 110 und eine gewünschte Wellenlängenspanne 120 zum späteren Testen der DUT abzudecken. Die Periode p_r und die Phase des Referenzinterferogramms 100 können sehr genau kalkuliert werden und durch die absoluten Gaszelleneigenschaften 110 kalibriert. Folglich ist das Wellenlängenverhalten des Referenzinterferogramms 100 auch innerhalb der DUT Spanne 120 sehr genau bekannt.
Ein zweiter Wellenlängenschwenk wird durchgeführt, vorzugsweise direkt nach dem ersten Wellenlängenschwenk, um sicherzustellen, dass Umgebungsbedingungen, welche möglicherweise die Periode der ersten Wellenlängenermittlungseinheit 40 beeinflussen, im Wesentlichen konstant bleiben. Bei diesem zweiten Wellenlängenschwenk wird die durchstimmbare Laserquelle 10 einen Wellenlängenschwenk λ(t) über die DUT Spanne 120 liefern. Die DUT Spane 120 stellt einen solchen Messbereich zum tatsächlichen Messen von Wellenlängeneigenschaften der DUT 20 dar. Während des zweiten Wellenlängenschwenks liefert die erste Wellenlängenermittlungseinheit 40 ein erstes Messinterferogramm 130 und die zweite Wellenlängenermittlungseinheit 50 liefert ein zweites Messinterferogramm 140.
Das erste und zweite Messinterferogramm 130 und 140 werden vorzugsweise mit erhöhter Genauigkeit in Bezug auf den ersten Wellenlängenschwenk zum Ermitteln des Referenzinterferogramms 100 erhoben. In dem Beispiel der 2 wird die Wellenlängenzunahme zum Detektieren des Interferogramms 130 und 140 mit ungefähr 0,05 pm geliefert (im Gegensatz zu ungefähr 1 pm für das Referenzinterferogramm 100). Dementsprechend kann nur das zweite Messinterferogramm 140 erhoben werden mit erhöhter Genauigkeit in Bezug auf das Referenzinterferogramm 100.
Während die Periode p_r der ersten Wellenlängenermittlungseinheit 40 während beider Wellenlängenschwenks im Wesentlichen gleich bleibt (Interferogramm 100 und 130) wird eine Periode p₂ der zweiten Wellenlängenermittlungseinheit 50 vorzugsweise kleiner ausgewählt als die Periode p_r der ersten Wellenlängenermittlungseinheit 40, um eine verbesserte Messgenauigkeit zu liefern. In dem Beispiel der 2 ist die Periode p₂ grob 0,2 pm (im Gegensatz zu der Periode p_r von grob 4 pm).
Unterschiede in der Periode p_r zwischen den beiden Wellenlängenschwenks können sich ergeben von unterschiedlichen Messbedingungen während der Wellenlängenschwenks und können kompensiert oder einfach vernachlässigt werden abhängig von der erforderlichen Genauigkeit.
Die Evaluierungseinheit 60 empfängt die Messergebnisse beider Wellenlängenermittlungseinheiten 40 und 50 für beide Wellenlängenschwenks. Sollte ein Wellenlängenstartpunkt 150 der DUT Spanne 120 noch nicht bekannt sein (z. B. wie von der durchstimmbaren Laserquelle 10 geliefert), kann der Wellenlängenmesser 30 darüber hinaus eine Grobwellenlängenmesseinheit 200 aufweisen zum eindeutigen Ermitteln der Wellenlänge des Signals λ(t) und folglich des Wellenlängenstartpunkts 150 der durchstimmbaren Laserquelle 10. Vorzugsweise ermittelt die Grobwellenlängenmesseinheit 200 die Wellenlänge mit geringerer Genauigkeit als die erste und zweite Wellenlängenermittlungseinheit 40 und 50, und kann ausgeführt werden wie beschrieben in der zuvor genannten EP-A-1099943 .
Der Wellenlängenstartpunkt 150 stellt vorzugsweise den ersten (gültigen) Wellenlängenpunkt der DUT Spanne 120 dar. Es können jedoch unterschiedliche Wellenlängenpunkte entsprechend angewendet werden.
Die Evaluierungseinheit 60 wird dann den Wellenlängenstartpunkt 150 innerhalb einer Periode des ersten Messinterferogramms 130 identifizieren sowie innerhalb einer Periode des Referenzinterferogramms 100. Die Evaluierungseinheit 60 ermittelt dann ein Phasen-Offset als die Phase zwischen dem ersten Messinterferogramm 130 und dem Referenzinterferogramm 100 am Wellenlängenstartpunkt 150. Dieses ermittelte Phasen-Offset erlaubt dann, das zweite Messinterferogramm 140 in der Wellenlänge zu justieren (z.B. entlang der Wellenlängenachse in 2 wie durch den Bogen 160 dargestellt).
Die Evaluierungseinheit 60 und die Messeinheit 70 sind vorzugsweise synchronisiert, so dass die Messeinheit 70 zu jedem empfangenen Antwortsignal von der DUT 20 einen korrespondierenden Wellenlängenwert des Stimulus-Lasersignals assoziieren kann.
Sollte das Referenzinterferogramm 100 kalibriert sein unter Verwendung der absoluten Wellenlängenmerkfmale 110, kann die hohe Genauigkeit der absoluten Wellenlängenmerkmale 110 über die erste und zweite Wellenlängenermittlungseinheit 40 und 50 auch an den DUT Spektrumsbereich 120 transferiert werden. Folglich kann die zweite Wellenlängenermittlungseinheit 50 einen relativen Fehler liefern, der kleiner als 0,02 pm ist und einen absoluten Fehler, der kleiner als 0,4 pm ist, was resultiert in einem totalen Fehler, der kleiner ist als 0,5 pm in dem DUT Spektrumsbereich 120. Dies kann erreicht werden mit der ersten Wellenlängenermittlungseinheit 40 mit einem relativen Fehler kleiner als 0,2 pm und einem absoluten Fehler kleiner als 0,2 pm wie durch eine HCN Gaszelle kalibriert (mit Spektrum 110), wobei die durchstimmbare Laserquelle 10 den Wellenlängenstartpunkt 150 mit einem relativen Fehler von 3–4 pm und einem absoluten Fehler von 3 pm liefert.

Claims

Ein Wellenlängenmesser (30) mit: einer ersten interferometrischen Wellenlängenermittlungseinheit (40) mit einer im wesentlichen periodischen Wellenlängenabhängigkeit, und die angepasst ist zum Liefern eines Referenzinterferogramms (100) über einen Referenzwellenlängenbereich, einer zweiten interferometrischen Wellenlängenermittlungseinheit (50) mit einer im wesentlichen periodischen Wellenlängenabhängigkeit, und die angepasst ist zum Liefern eines zweiten Interferogramms (140) über einen zweiten Wellenlängenbereich (120), und einer Evaluierungseinheit (60), die angepasst ist zum Vergleichen des zweiten Interferogramms (140) mit dem Referenzinterferogramm (100) zum Anpassen (160) des zweiten Interferogramms (140) in der Wellenlänge, wobei die Evaluierungseinheit (60) angepasst ist zum Ermitteln einer Offset-Phase zwischen einem ersten Interferogramm (130), wie von der ersten Wellenlängenermittlungseinheit (40) über den zweiten Wellenlängenbereich (120) geliefert, und dem Referenzinterferogramm (100) zum Anpassen (160) des zweiten Interferogramms (140) in der Wellenlänge.
Der Wellenlängenmesser (30) nach Anspruch 1, wobei der zweite Wellenlängenbereich (120) kleiner ist als der Referenzwellenlängenbereich.
Der Wellenlängenmesser (30) nach Anspruch 1 oder einer der oben genannten Ansprüche, wobei die Genauigkeit des zweiten Interterogramms (140) höher ist als die Genauigkeit des Referenzinterferogramms (100).
Der Wellenlängenmesser (30) nach Anspruch 1 oder einem der oben genannten Ansprüche mit zusätzlich einer absoluten Wellenlängeneinheit (115) mit mindestens einem absoluten Wellenlängenmerkmal (110) innerhalb des Referenzwellenlängenbereichs zum Wellenlängenkalibrieren des Referenzinterferogramms (100).
Ein System zum Ermitteln einer optischen Eigenschaft einer zu testenden Vorrichtung – DUT – (20), mit: einem Wellenlängenmesser (30) nach Anspruch 1 oder einem der oben genannten Ansprüche, einer wellenlängendurchstimmbaren Lichtquelle (10) zum Liefern eines Lichtsignals λ(t) mit variierenden Wellenlängen über der Zeit an die DUT (20) sowie an den Wellenlängenmesser (30), und einer Messeinheit (70) zum Ermitteln der optischen Eigenschaft der DUT (20) von einem Antwortsignal der DUT (20) auf das Lichtsignal λ(t) sowie von einem Ausgabesignal des Wellenlängenmessers (30) zum Überwachen eines Wellenlängedurchstimmens oder zum Ermitteln diskreter Wellenlängenwerte des Lichtsignals λ(t).
Ein Verfahren mit folgenden Schritten: (a) Liefern eines Referenzinterferogramms (100) über einen Referenzwellenlängenbereich unter Verwendung einer ersten Wellenlängenermittlungseinheit (40) mit einer im wesentlichen periodischen Wellenlängenabhängigkeit, (b) Liefern eines zweiten Interferogramms (140) über einen zweiten Wellenlängenbereich (120) unter Verwendung einer zweiten Wellenlängenermittlungseinheit (50) mit einer im wesentlichen periodischen Wellenlängeneigenschaft, und (c) Liefern eines ersten Interferogramms (130) durch die erste Wellenlängenermittlungseinheit (40) über den zweiten Wellenlängenbereich (120), (d) Vergleichen des zweiten Interferogramms (140) mit dem Referenzinterferogramm (100) durch Ermitteln eines Phasen-Offsets zwischen dem ersten Interferogramm (130) und dem Referenz-Interferogramm (100), und (e) Anpassen (160) des zweiten Interferogramms (140) bezüglich der Wellenlänge, basierend auf dem Vergleich in Schritt (d) durch Verwenden des ermittelten Phasen-Offsets.
Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt zum Ermitteln des Phasen-Offsets folgende Schritte umfasst: Identifizieren eines Wellenlängenreferenzpunkts im ersten Interferogramm (130) sowie im Referenzinterferogramm (100), und Ermitteln des Phasen-Offsets als die Phasen-Differenz zwischen dem ersten Interferogramm (130) und dem Referenz-Interferogramm (100) an dem Wellenlängenreferenzpunkt.
Das Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Schritte (a) und (b) innerhalb eines solchen Zeitintervalls ausgeführt werden, in dem die Umgebungsbedingungen für beide Schritte als im wesentlichen gleich oder konstant angesehen werden können.
Das Verfahren nach Anspruch 6 oder einem der Ansprüche 7 und 8, mit zusätzlich folgenden Schritten: Ermitteln mindestens eines absoluten Wellenlängenmerkmals (110) innerhalb des Referenzwellenlängenbereichs, und Kalibrieren des Referenzinterferogramms (100) in der Wellenlänge, basierend auf dem ermittelten, mindestens einem, absoluten Wellenlängenmerkmal (110).
Ein Softwareprogramm oder -produkt, vorzugsweise gespeichert auf einem Datenträger, zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 6 oder einem der Ansprüche 7 bis 10, wenn es auf einem Datenverarbeitungssystem wie einem Computer ausgeführt wird.