CN100533095C - 光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置及其方法。在光波导环形谐振腔芯片上设计三个相同结构的参考直波导，经光纤耦合器耦合后通过测试环形腔的谐振曲线和参考直波导的平均输出幅度，得到光波导环形谐振腔全部结构参数的具体值，包括耦合器耦合系数和附加损耗以及波导传输损耗。获取光波导环形谐振腔结构参数的装置：锯齿波信号发生器依次与激光器、光波导环形谐振腔芯片、PD探测器、示波器、计算机相连接。本发明可以无破坏性的简单直接的完全获取光波导环形谐振腔三个基本结构参数，为进一步优化设计高性能光波导环形腔提供指导，同时对于提高谐振式微型光学陀螺的极限灵敏度、改善性能具有重要的科学意义和应用价值。

Description

光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置及其方法。

背景技术

光波导环形谐振腔是谐振式微型光学陀螺的核心敏感部件，将一个定向耦合器的其中一个输出端口和一个输入端口直接相连就构成了一个最基本的环形谐振腔结构。在环形谐振腔中，常用清晰度来衡量其性能指标，其定义为两相邻谐振频率间隔和谐振腔谱线半高宽度之比。清晰度由环形谐振腔的基本结构参数包括耦合器耦合系数和附加损耗及波导传输损耗共同决定。

在以往的一些利用测试环形谐振腔的谐振曲线来获取环形谐振腔基本结构参数的方法和装置中，都没有将这三个基本结构参数：耦合器耦合系数、耦合器附加损耗和波导传输损耗完全独立计算出来，一般都是根据已知或者单独测试其中任意一个参数再测试环形腔的谐振曲线来获取其他两个参数，这些测试装置复杂，计算精度低并且重复可操作性差。因此如何采用和设计合适的测试方法及装置，能够无破坏性的直接获取这三个基本结构参数，对环形谐振腔的进一步优化设计和性能提高具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置及其方法。

光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置中的锯齿波信号发生器依次与激光器，光波导环形谐振腔芯片，PD探测器，示波器、计算机相连接。

光波导环形谐振腔芯片是在同一个衬底上，定向耦合器与输入波导、输出波导、光波导环形腔相连接，第一参考直波导、第二参考直波导、第三参考直波导位于输入波导、输出波导上方，第一参考直波导与输入波导、输出波导相距250微米，第二参考直波导与第一参考直波导相距250微米，第三参考直波导与第二参考直波导相距250微米，第一带状光纤、第二带状光纤、第三带状光纤、第四带状光纤通过第一带状光纤耦合器分别与输入波导、第一参考直波导、第二参考直波导、第三参考直波导相连接，输出波导、第一参考直波导、第二参考直波导、第三参考直波导通过第二带状光纤耦合器分别与第五带状光纤、第六带状光纤、第七带状光纤、第八带状光纤相连接。

光波导环形谐振腔基本结构参数的测试方法包括如下步骤：

①用锯齿波信号发生器扫描激光器的输出光频率，将激光器连接第一带状光纤，再将第五带状光纤连接PD探测器，PD探测器连接示波器，示波器连接计算机，从计算机中对实验测试得到的光波导环形谐振腔的谐振曲线进行洛仑兹曲线拟和，最后计算得到最大输出幅度V_max、谐振深度ρ、自由谱宽FSR和半高全宽FWHM。

②用锯齿波信号发生器扫描激光器，将激光器的光输入第二带状光纤，再将第六带状光纤连接PD探测器，PD探测器连接示波器，，示波器连接计算机，从计算机中读取参考直波导的最大输出幅度V_max1′。

③用锯齿波信号发生器扫描激光器，将激光器的光输入第三带状光纤，再将第七带状光纤连接PD探测器，PD探测器连接示波器，，示波器连接计算机，从计算机中读取参考直波导的最大输出幅度V_max2′。

④用锯齿波信号发生器扫描激光器，将激光器的光输入第四带状光纤，再将第八带状光纤连接PD探测器，PD探测器连接示波器，示波器连接计算机，从计算机中读取参考直波导的最大输出幅度V_max3′。

⑤将第二、三、四步得到的V_max1′、V_max2′和V_max3′进行平均计算，得到直波导的最大输出幅度平均值V_max′

⑥将上面五步得到的参数带入下式方程计算得到光波导环形谐振腔的基本结构参数，其中耦合器附加损耗α_C和谐振腔波导单位传输损耗α_L，单位为dB，耦合器耦合系数k为十进制小数。

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{1-b^2}{\mathrm{ab}+1}\\ {\mathrm{\α}}_C=-10\log [\frac{V_{\max }}{V_{\max }\′}\·\frac{(a+b)(\mathrm{ab}+1)}{b{(a+1)}^2}]\\ {\mathrm{\α}}_l=-\frac{10}{L}\log [\frac{V_{\max }\′}{V_{\max }}\·\frac{b^2{(a+1)}^2}{{(a+b)}^2}]\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{1+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}}{1-\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}}\\ b=\frac{1-\sin (\mathrm{\π}/F)}{\cos (\mathrm{\π}/F)}\\ F=\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{FWHM}}\end{array}\right..$

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

本发明通过引入和环形谐振腔光波导完全一致的参考直波导结构，经过光纤耦合器后通过同时测试光波导环形腔的谐振曲线和参考直波导的平均输出幅度，能够无破坏性的直接获取描述光波导环形谐振腔特性的三个基本结构参数：耦合器耦合系数、耦合器附加损耗和波导传输损耗。而以往利用环形谐振腔测试谐振曲线获取其基本结构参数的方法，都没有将这三个基本结构参数完全独立计算出来，并且测试装置复杂，计算精度低以及重复可操作性差。本发明提供了一种无破坏性的简单直接的能完全获取光波导环形谐振腔三个基本结构参数的一种有效的测试方法。本发明的实施可为进一步开展高性能光波导谐振腔的优化设计提供指导，具有重要的科学意义和应用价值。同时避免交叉波导带来的影响，对于提高谐振式微型光学陀螺的极限灵敏度、改善性能也是非常重要的。

附图说明

图1是光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置；

图2是光波导环形谐振腔芯片的基本结构示意图；

图3是光波导环形谐振腔谐振曲线及直波导平均输出幅度示意图；

图中：锯齿波信号发生器1、激光器2、光波导环形谐振腔芯片3、PD探测器4、示波器5、计算机6、输入波导7、输出波导8、定向耦合器9、光波导环形腔10、第一参考直波导11、第二参考直波导12、第三参考直波导13、第一带状光纤耦合器14、第二带状光纤耦合器15、第一带状光纤16、第二带状光纤17、第三带状光纤18、第四带状光纤19、第五带状光纤20、第六带状光纤21、第七带状光纤22、第八带状光纤23。

具体实施方式

本发明通过测试光波导环形腔的谐振曲线和三个参考直波导的平均输出幅度，从而将光波导环形谐振腔的三个基本结构参数包括耦合器耦合系数和附加损耗以及波导传输损耗完全独立的计算出来。采用三个参考直波导的主要原因是利用带状光纤的对准特性减小测试误差，提高测试光波导环形谐振腔基本结构参数的精度。根据光波在环形谐振腔传输后输出的谐振曲线得到的三个参数：谐振深度ρ、谐振腔自由谱线宽度FSR和谐振腔谱线半高全宽FWHM的定义，利用多光束干涉叠加法得到光波导环形谐振腔的光强传递函数表达式，以及设计三个参考直波导获取相同情况下测试***的平均输出幅度，从而得到光波导环形谐振腔的三个基本结构参数的具体表达式。

如图1所示，光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置中的锯齿波信号发生器1依次与激光器2、光波导环形谐振腔芯片3、PD探测器4、示波器5、计算机6相连接。

如图2所示，光波导环形谐振腔芯片3是在同一个衬底上，定向耦合器9与输入波导7、输出波导8、光波导环形腔10相连接，第一参考直波导11、第二参考直波导12、第三参考直波导13位于输入波导6、输出波导7上方，第一参考直波导11与输入波导6、输出波导7相距250微米，第二参考直波导12与第一参考直波导11相距250微米，第三参考直波导13与第二参考直波导12相距250微米，第一带状光纤16、第二带状光纤17、第三带状光纤18、第四带状光纤19通过第一带状光纤耦合器14分别与输入波导7、第一参考直波导11、第二参考直波导12、第三参考直波导13相连接，输出波导8、第一参考直波导11、第二参考直波导12、第三参考直波导13通过第二带状光纤耦合器15分别与第五带状光纤20、第六带状光纤21、第七带状光纤22、第八带状光纤23相连接。

光波导环形谐振腔基本结构参数的测试方法包括如下步骤：

①用锯齿波信号发生器1扫描激光器2的输出光频率，将激光器2连接第一带状光纤16，再将第五带状光纤20连接PD探测器4，PD探测器4连接示波器5，示波器5连接计算机6，从计算机6中对实验测试得到的光波导环形谐振腔的谐振曲线进行洛仑兹曲线拟和，最后计算得到最大输出幅度V_max、谐振深度ρ、自由谱宽FSR和半高全宽FWHM。

首先利用多光束干涉叠加的方法得到环形谐振腔的输出光强传递函数表达式：

$R=(1-{\mathrm{\α}}_C)\·\frac{T^2-2\mathrm{TV}\cos \mathrm{\βL}+V^2}{1-2\mathrm{TV}\cos \mathrm{\βL}+T^2{V}^2}---\left(1\right)$

其中V和T可表示如下：

$V=\sqrt{(1-{\mathrm{\α}}_C)(1-{\mathrm{\α}}_l\·L)}---\left(2\right)$

$T=\sqrt{1-k}---\left(3\right)$

式中k、α_C和α₁分别表示为环形谐振腔耦合器的耦合系数、耦合器附加损耗和光波导单位传输损耗，β为光波传播常数，L为谐振腔总长度。根据定义，谐振曲线的谐振深度ρ可表示为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{R_{\max }-R_{\min }}{R_{\max }}---\left(4\right)$

式中R_max和R_min分别为环形谐振腔输出光强传递函数的最大值和最小值。利用(1)式可得谐振深度ρ，具体表达式为：

$\mathrm{\ρ}=1-\frac{{(T-V)}^2}{{(T+V)}^2}\·\frac{{(1+\mathrm{TV})}^2}{{(1-\mathrm{TV})}^2}---\left(5\right)$

再根据环形谐振腔清晰度F的定义，我们可以得到下式：

$F=\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{FWHM}}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{arc}\cos \frac{2\mathrm{TV}}{1+T^2{V}^2}}---\left(6\right)$

式中FSR为环形谐振腔自由谱线宽度，FWHM为环形谐振腔谱线半高全宽，如图3所示。联立(5)和(6)式，可以计算得到T和V的表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{T}^2=\frac{\mathrm{ab}+b^2}{\mathrm{ab}+1}\\ V^2=\frac{{\mathrm{ab}}^2+b}{a+b}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中参数a和b表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{1+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}}{1-\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}}\\ b=\frac{1-\sin (\mathrm{\π}/F)}{\cos (\mathrm{\π}/F)}\end{array}\right.---\left(8\right)$

利用方程组(8)，进一步计算可得：

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{{1-b}^2}{\mathrm{ab}+1}\\ {10}^{-({\mathrm{\α}}_C+{\mathrm{\α}}_{l}L)/10}=\frac{{\mathrm{ab}}^2+b}{a+b}\end{array}\right.---\left(9\right)$

然后根据图1所示的装置在测试光波导环形腔谐振曲线时，根据激光器输出功率，经过光波导环形谐振腔后，由PD探测器进行光电转化后经示波器在计算机上观察其谐振曲线，此时谐振曲线的最大输出幅度V_max可表示为：

$V_{\max }=P_{\mathrm{in}}(1-{\mathrm{\α}}_C)\·\frac{{(T+V)}^2}{{(1+\mathrm{TV})}^2}S\·M---\left(10\right)$

式中P_in为激光器输出光功率，S为光电探测器的光电响应度，M为***噪声系数。

②用锯齿波信号发生器1扫描激光器2，将激光器2的光输入第二带状光纤17，再将第六带状光纤21连接PD探测器4，PD探测器4连接示波器5，示波器5连接计算机6，从计算机6中读取参考直波导的最大输出幅度V_max1′。

③用锯齿波信号发生器1扫描激光器2，将激光器2的光输入第三带状光纤18，再将第七带状光纤22连接PD探测器4，PD探测器4连接示波器5，，示波器5连接计算机6，从计算机6中读取参考直波导的最大输出幅度V_max2′。

④用锯齿波信号发生器1扫描激光器2，将激光器2的光输入第四带状光纤19，再将第八带状光纤23连接PD探测器4，PD探测器4连接示波器5，示波器5连接计算机6，从计算机6中读取参考直波导的最大输出幅度V_max3′。

⑤将第二、三、四步得到的V_max1′、V_max2′和V_max3′进行平均计算，得到所有参考直波导的最大输出平均值V_max′。

$V_{\max }\′=\frac{(V_{\max 1}\′+V_{\max 2}\′+V_{\max 3}\′)}{3}---\left(11\right)$

在光波导环形谐振腔芯片上同时设计三个与谐振腔波导结构完全相同的平行直波导作为参考直波导，如图2中第一参考直波导11、第二参考直波导12和第三参考直波导13。并采用如图2所示的第一光纤耦合器14和第二光纤耦合器15将参考直波导和带状光纤连接起来。在测试光波导环形腔的谐振曲线后检测三个参考直波导的平均输出幅度，记为V_max′，如图3所示，可表示为：

V_max′＝P_inS·M   (12)

结合(10)和(12)式，可以得到：

$\frac{V_{\max }}{V_{\max }\′}=(1-{\mathrm{\α}}_C)\·\frac{{(T+V)}^2}{{(1+\mathrm{TV})}^2}---\left(13\right)$

⑥将上面五步得到的描述谐振曲线特性的三个参数：谐振深度ρ、谐振腔自由谱线宽度FSR和谐振腔谱线半高全宽FWHM，以及测试谐振曲线输出幅度最大值V_max和参考直波导的平均输出幅度V_max′，带入下式方程计算得到光波导环形谐振腔的三个基本结构参数，其中耦合器附加损耗α_C和谐振腔波导单位传输损耗α_L，单位为dB，耦合器耦合系数k为十进制小数。

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{1-b^2}{\mathrm{ab}+1}\\ {\mathrm{\α}}_C=-10\log [\frac{V_{\max }}{V_{\max }\′}\·\frac{(a+b)(\mathrm{ab}+1)}{b{(a+1)}^2}]\\ {\mathrm{\α}}_l=-\frac{10}{L}\log [\frac{V_{\max }\′}{V_{\max }}\·\frac{b^2{(a+1)}^2}{{(a+b)}^2}]\end{array}\right.---\left(14\right)$

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{1+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}}{1-\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}}\\ b=\frac{1-\sin (\mathrm{\π}/F)}{\cos (\mathrm{\π}/F)}\\ F=\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{FWHM}}\end{array}\right.---\left(15\right)$

Claims (2)

1.一种光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置，其特征在于：锯齿波信号发生器(1)与激光器(2)、光波导环形谐振腔芯片(3)、PD探测器(4)、示波器(5)、计算机(6)依次连接，所述的光波导环形谐振腔芯片(3)是在同一个衬底上，定向耦合器(9)与输入波导(7)、输出波导(8)、光波导环形腔(10)相连接，第一参考直波导(11)、第二参考直波导(12)、第三参考直波导(13)位于输入波导(7)、输出波导(8)上方，第一参考直波导(11)与输入波导(7)、输出波导(8)相距250微米，第二参考直波导(12)与第一参考直波导(11)相距250微米，第三参考直波导(13)与第二参考直波导(12)相距250微米，第一带状光纤(16)、第二带状光纤(17)、第三带状光纤(18)、第四带状光纤(19)通过第一带状光纤耦合器(14)分别与输入波导(7)、第一参考直波导(11)、第二参考直波导(12)、第三参考直波导(13)相连接，输出波导(8)、第一参考直波导(11)、第二参考直波导(12)、第三参考直波导(13)通过第二带状光纤耦合器(15)分别与第五带状光纤(20)、第六带状光纤(21)、第七带状光纤(22)、第八带状光纤(23)相连接。

2.一种使用权利要求1所述装置的光波导环形谐振腔基本结构参数的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

①用锯齿波信号发生器(1)扫描激光器(2)的输出光频率，将激光器(2)连接第一带状光纤(16)，再将第五带状光纤(20)连接PD探测器(4)，PD探测器(4)连接示波器(5)，示波器(5)连接计算机(6)，从计算机(6)中对实验测试得到的光波导环形谐振腔的谐振曲线进行洛仑兹曲线拟和，最后计算得到最大输出幅度V_max、谐振深度ρ、自由谱宽FSR和半高全宽FWHM；

②用锯齿波信号发生器(1)扫描激光器(2)，将激光器(2)的光输入第二带状光纤(17)，再将第六带状光纤(21)连接PD探测器(4)，PD探测器(4)连接示波器(5)，示波器(5)连接计算机(6)，从计算机(6)中读取参考直波导的最大输出幅度V_max1′；

③用锯齿波信号发生器(1)扫描激光器(2)，将激光器(2)的光输入第三带状光纤(18)，再将第七带状光纤(22)连接PD探测器(4)，PD探测器(4)连接示波器(5)，示波器(5)连接计算机(6)，从计算机(6)中读取参考直波导的最大输出幅度V_max2′；

④用锯齿波信号发生器(1)扫描激光器(2)，将激光器(2)的光输入第四带状光纤(19)，再将第八带状光纤(23)连接PD探测器(4)，PD探测器(4)连接示波器(5)，示波器(5)连接计算机(6)，从计算机(6)中读取参考直波导的最大输出幅度V_max3′；

⑤将第二、三、四步得到的V_max1′、V_max2′和V_max3′进行平均计算，得到所有参考直波导的最大输出幅度平均值V_max′；

⑥将上面五步得到的参数带入下式方程计算得到光波导环形谐振腔的基本结构参数，其中耦合器附加损耗α_C和谐振腔光波导单位传输损耗α_L，单位为dB，耦合器耦合系数k为十进制小数；

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{1-b^2}{\mathrm{ab}+1}\\ {\mathrm{\α}}_C=-10\log [\frac{V_{\max }}{V_{\max }\′}\·\frac{(a+b)(\mathrm{ab}+1)}{b{(a+1)}^2}]\\ {\mathrm{\α}}_l=-\frac{10}{L}\log [\frac{V_{\max }\′}{V_{\max }}\·\frac{b^2{(a+1)}^2}{{(a+b)}^2}]\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{1+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}}{1-\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}}\\ b=\frac{1-\sin (\mathrm{\π}/F)}{\cos (\mathrm{\π}/F)}.\\ F=\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{FWHM}}\end{array}\right.$

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