CN103743551B

CN103743551B - 一种多功能铌酸锂集成器件的光学性能测量方法

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Publication number: CN103743551B
Application number: CN201310739315.3A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 苑勇贵; 柴俊; 彭峰; 吴冰; 苑立波
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103743551A

Abstract

本发明属于光学器件测量技术领域，具体涉及到一种多功能铌酸锂集成器件的光学性能测量方法。本方法包括：测量波导器件输入保偏尾纤的长度；测量波导芯片的长度；测量波导器件输出保偏尾纤的长度；对准输入/输出尾纤慢轴与波导芯片的传输轴；获取第一次分布式偏振串音测量结果；变换波导器件的光注入条件；获取第二次分布式偏振串音测量结果；通过对数据的分析和计算，获得波导器件光学参量。该方法可以准确地获得波导芯片的消光比和线性双折射，还能够同时获得芯片波导输入/输出端尾纤的耦合串音、线性双折射，输入/输出延长光纤焊点，以及波导芯片和连接尾纤内部光学缺陷；降低了信号读取与识别的难度，简化了数据分析与处理的过程。

Description

一种多功能铌酸锂集成器件的光学性能测量方法

技术领域

本发明属于光学器件测量技术领域，具体涉及到一种多功能铌酸锂集成器件的光学性能测量方法。

背景技术

多功能集成光学器件俗称“Y波导”，一般采用铌酸锂材料作为基底，它将单模光波导、光分束器、光调制器和光学偏振器进行了高度集成，是组成干涉型光纤陀螺(FOG)和光纤电流互感器的核心器件，决定着光纤传感***的测量精度、稳定性、体积和成本。

波导芯片消光比是Y波导器件的重要参量，如：高精度精密级光纤陀螺中的使用的Y波导，其芯片消光比要求达到80dB以上。例如：中国电子科技集团公司第四十四研究所的华勇、舒平等人提出的一种提高光纤陀螺用Y波导芯片消光比的方法(CN201310185490.2)，已经将波导芯片消光比提高到80dB以上。但受限于测试仪器性能和测试方法，目前还无法实现高消光比Y波导芯片消光比准确测量。常用的偏振性能检测仪器——消光比测试仪，分辨率最高的美国dBm Optics公司研制Model4810型偏振消光比测量仪也仅有72dB，除此以外，美国General Photonics公司的ERM102型、韩国Fiberpro公司的ER2200型，日本Santec公司的PEM-330型最高消光比均只能达到50dB左右，无法满足80dB以上高消光比Y波导器件的测试需求。

2002年美国Fibersense Technology Corporation公司的Alfred Healy等人公开一种集成波导芯片的输入/输出光纤的耦合方法(US6870628)，利用白光干涉测量方法实现了波导芯片输入/输出光纤的耦合串音的测量；2004年北京航空航天大学的伊小素、肖文等人公开了一种光纤陀螺用集成光学调制器在线测试方法及其测试装置(CN200410003424.X)，可以实现器件的损耗、分光比等光学参数的测量；2007年北京航空航天大学的伊小素、徐小斌等人公开了一种Y波导芯片与保偏光纤在线对轴装置及其在线对轴方法(CN 200710064176.3)，利用干涉光谱法同样实现了波导芯片与波导输入/输出光纤串音的测量。上述专利均没有设计波导芯片消光比的测量。

Y波导由输入光纤、波导芯片和输出光纤三部分组成，传统的消光比测试均为集总式测量，只能得到Y波导器件整体的消光比数值，即器件所有的消光比之和，波导芯片消光比(50～80dB)淹没在了光纤尾纤与芯片耦合的消光比(30～40dB)之中，无法获得芯片的消光比。因此，Y波导器件芯片消光比的测量难点主要有：1)基于低相干原理的白光干涉仪可以实现分布式偏振串音的测量，可以对Y波导器件参数(包括芯片消光比)的测量，但是如何能够将偏振串音的分辨率提高到-90dB以上，实现对消光比高达80dB以上波导芯片的测量；2)为了提高空间分辨率，白光干涉仪普遍采用光谱较宽的SLD光源，但光源光谱纹波(ripple)将引起相干峰，其对应的偏振串音幅值大约在-50～-70dB之间，如果波导芯片的偏振串音峰值与其重叠，则芯片消光比极易淹没在其中，如何消除其影响是需要迫切接解决的问题；3)波导器件作为一个组件，芯片、尾纤等各组成的串音信号的准确区分，具有相当的难度，如何准确识别白光干涉信号是器件测试的难点之一。

本发明公开了一种多功能铌酸锂集成光学器件(Y波导)的光学性能测量方法，包括波导器件输入/输出尾纤的长度选择与测量、波导器件光注入条件选择，波导芯片几何参数的测量、波导器件的分布式偏振串音特性测量，以及波导器件光学性能参数计算等步骤，其特征是利用白光干涉仪(或低相干测量装置)，在被测集成波导器件的输入/输出端，通过延长输入/输出端尾纤的长度，同时对注入到待测器件中的输入/输出检测光的预置角度进行设定，分别测量装置的偏振串音噪声本底数据和器件的分布式偏振串音数据；通过对二者的对比，可以获得若干由波导芯片、波导输入/输出尾纤、输入/输出延长光纤引入的偏振串音特征峰；利用对波导器件几何长度的测量数据，包括：输入/输出延长光纤的长度、波导输入/输出尾纤长度和波导芯片长度，可以计算得到波导器件芯片消光、芯片线性双折射，波导输入/输出端尾纤的耦合串音、输入/输出延长光纤焊点等多个光学参数。该方法消除了光源光谱纹波对测量的影响，提高了测量的准确性，可以实现0～85dB的超大消光比器件性能的测量，具有高空间分辨率等优点，可广泛用于芯片消光比在85dB以上的集成光学器件的定量评价，以及波导芯片和连接尾纤内部是否存在光学缺陷的识别与分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除了光源光谱纹波对测量的影响，实现波导芯片与尾纤对轴的自动识别，提高测试的准确性的多功能铌酸锂集成器件的光学性能测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)测量波导器件输入保偏尾纤的长度l_W-i，检测传输在输入保偏尾纤快慢轴之间光波的光程差S_W-i是否大于光源光谱纹波产生的相干峰的光程S_ripple，即

S_W-i>S_ripple，

S_W-i＝l_W-i×Δn_f，Δn_f保偏尾纤的线性双折射；

(2)如果输入保偏尾纤的长度l_W-i不满足步骤(1)中的条件，则在输入保偏尾纤上焊接一段输入延长保偏光纤，焊点的对轴角度为0°-0°，长度为l_f-i的输入延长保偏光纤满足光程差S_f-i大于光源光谱纹波产生的相干峰的光程S_ripple，即

S_f-i>S_ripple

S_f-i＝l_f-i×Δn_f，Δn_f保偏尾纤的线性双折射，测量并记录输入延长保偏光纤的长度l_f-i；

(3)测量波导芯片的长度l_W；

(4)测量波导器件输出保偏尾纤的长度l_W-o，检测传输在输出保偏尾纤快慢轴之间光波的光程差S_W-o是否大于传输在波导芯片快慢轴之间光波的光程差S_W，即

S_W-o>S_W，S_W-o＝l_W-o×Δn_f，S_W＝l_W×Δn_W，Δn_W波导芯片的线性双折射；

(5)如果输出保偏尾纤的长度l_W-o不满足步骤(4)的条件，则在输出保偏尾纤上焊接一段输出延长保偏光纤，焊点的对轴角度为0°-0°，长度为l_f-o的输出延长保偏光纤的光程差S_f-oS_f-o>S_W，S_f-o＝l_f-o×Δn_f，测量并记录输出延长保偏光纤的长度l_f-o；

(6)对准输入或输出保偏尾纤的慢轴与波导芯片的传输轴，无输入延长保偏光纤时，输入保偏尾纤与白光干涉仪输出起偏器的尾纤的对轴角度θ₁为0°-0°；有输入延长保偏光纤时，输入延长保偏光纤与白光干涉仪输出起偏器的尾纤的对轴角度θ₁也为0°-0°；无输出延长保偏光纤时，输出保偏尾纤与白光干涉仪输入检偏器的尾纤的对轴角度θ₂为0°-0°；有输出延长保偏光纤时，输出延长保偏光纤与白光干涉仪输入检偏器的尾纤的对轴角度θ₂也为0°-0°；

对准输入或输出保偏尾纤快轴与波导芯片的传输轴，输入保偏尾纤或者输入延长保偏光纤与白光干涉仪输出检偏器的尾纤的对轴角度θ₁为0°-90°；输出保偏尾纤或者输出延长保偏光纤与白光干涉仪输入检偏器的尾纤的对轴角度θ₂为90°-0°；

(7)获取第一次分布式偏振串音测量结果，即白光干涉仪的仪器偏振串音噪声本底数据，其横坐标为扫描光程数值S，单位：μm，纵坐标为偏振串音幅度E，单位：dB；测量的光程扫描范围ΔS

ΔS>2(S_f-i+S_W-i+S_W+S_W-o+S_f-o)

并且，光程扫描范围的中点为偏振串音测量数据的最大峰值的位置；

(8)变换波导器件的光注入条件：无输入延长保偏光纤时，输入保偏尾纤与白光干涉仪输入起偏器的尾纤的对轴角度θ₁为0°-45°；有输入延长保偏光纤时，输入延长保偏光与白光干涉仪输入起偏器的尾纤的对轴角度θ₁也为0°-45°；无输出延长保偏光纤时，输出保偏尾纤与白光干涉仪输出检偏器的尾纤的对轴角度θ₂为45°-0°；有输出延长保偏光纤时，输出延长保偏光纤与尾纤的对轴角度θ₂也为45°-0°；

(9)获取第二次分布式偏振串音测量结果，即器件的光学偏振串音测量数据，其光程扫描范围ΔS的要求与步骤(7)相同；

(10)通过对数据的分析和计算，获得波导器件的芯片消光、芯片的线性双折射，波导输入/输出端尾纤的耦合串音、尾纤的线性双折射光学参量：

(10.1)将测量步骤(9)获得的器件分布式偏振串音测量结果与步骤(7)获得的白光干涉仪的仪器偏振串音本底数据进行对比，可以获得若干由波导芯片、波导输入或输出保偏尾纤、输入或输出延长保偏光纤引入的偏振串音特征峰，峰值的横坐标对应光程差S，单位：μm，纵坐标对应偏振串音的幅度E，单位：dB；

(10.2)根据输入延长保偏光纤的长度l_f-i数值，计算得到输入延长保偏光纤的理论光程延迟数值S_f-i(理论)，S_f-i(理论)＝l_f-i×Δn_f(理论)，Δn_f(理论)按5×10^-4计；器件偏振串音测试数据中，确定由输入延长保偏光纤与输入保偏尾纤的焊点引起的满足光程延迟量S_f-i(理论)的偏振串音峰值，其纵坐标数值对应焊点串音值E_f-i，横坐标对应为输入延长保偏光纤真实的光程延迟量S_f-i(测量)；

(10.3)根据波导输入保偏尾纤的长度l_W-i数值，计算得到波导输入保偏尾纤的理论光程延迟数值S_W-i(理论)，S_W-i(理论)＝l_W-i×Δn_f(理论)，Δn_f(理论)按5×10^-4计；器件测试数据中，确定由输入保偏尾纤音引起的满足光程延迟量S_f-i(测量)+S_W-i(理论)的偏振串音峰值，其纵坐标耦合串音值E_W-i，横坐标对应真实的光程延迟量S_f-i(测量)+S_W-i(测量)；

(10.4)根据波导输入保偏光纤的长度l_W-i和其对应的真实光程延迟量S_W-i(测量)，可以精确计算得到波导输入保偏光纤的线性双折射Δn_f-i(测量)，

Δn_f-i(测量)＝S_W-i(测量)/l_W-i

(10.5)与步骤2)～步骤4)相同，根据输出延长保偏光纤的长度l_f-o、波导输出保偏尾纤长度l_W-o，确定输出延长保偏光纤与输出保偏尾纤的焊点串音值E_f-o、输出光纤与波导芯片的功率耦合串音值E_W-o，以及波导输出保偏光纤的线性双折射Δn_W-o；

Δn_W-o(测量)＝S_W-o(测量)/l_W-o

(10.6)根据波导芯片的长度l_W，计算得到波导芯片快、慢轴之间的光程延迟量S_W(理论)，S_W(理论)＝l_W×Δn_W(理论)，线性双折射Δn_W(理论)按8×10^-2计；在器件偏振串音测试数据中，可以在输入保偏尾纤、输入延长保偏光纤、输出保偏尾纤、输出延长保偏光纤与波导芯片快、慢工作轴之间产生光程之和S_f-i(测量)+S_W-i(测量)+S_W(理论)+S_W-o(测量)+S_f-o(测量)或者光程之差S_f-i(测量)+S_W-i(测量)+S_W-o(测量)+S_f-o(测量)-S_W(理论)所对应的横坐标处，找到波导芯片的偏振串音峰值，其幅值E_W的绝对值即为波导芯片的消光比；波导芯片串音峰值出现在光程之和S_f-i(测量)+S_W-i(测量)+S_W(测量)+S_W-o(测量)+S_f-o(测量)处，可以确定波导尾纤的快轴与波导快轴对准，而出现在光程之差S_f-i(测量)+S_W-i(测量)+S_W-o(测量)+S_f-o(测量)-S_W(理论)则确定波导尾纤的慢轴与波导快轴对准；根据测量得到的波导芯片的光程延迟量S_W(测量)和波导芯片的真实长度l_W，计算得到波导芯片的线性双折射Δn_W(测量)

Δn_W(测量)＝S_W(测量)/l_W。

本发明的有益效果在于：

该方法不仅可以准确地获得波导芯片的消光比和线性双折射，还能够同时获得芯片波导输入/输出端尾纤的耦合串音、线性双折射，输入/输出延长光纤焊点，以及波导芯片和连接尾纤内部光学缺陷；该方法允许通过对输入/输出光纤长度的选择，巧妙地避开了宽谱光源光谱纹波(ripple)引起相干峰对测量的影响，增加了可实现性和稳定性；该方法可以通过对比器件的偏振串音数据和测量装置的串音噪声本底，使待波导芯片、输入/输出尾纤、延长光纤焊点等产生的偏振串音峰值更加容易分辨，降低了信号读取与识别的难度，简化了数据分析与处理的过程，可以实现消光比85dB以上集成波导器件的测量。

附图说明

图1是Y波导器件的芯片消光比等光学参量的测试方法流程图；

图2是基于白光干涉测量装置的Y波导器件测试原理图；

图3是待侧器件与测试装置之间的输入0°～45°对准、输出45°～0°对准的示意图；

图4是待侧器件与测试装置之间的输入0°～0°对准、输出0°～0°对准的示意图；

图5是波导尾纤慢轴与波导芯片快轴对准，器件0°～0°接入测试装置时，测量得到的分布式偏振串音数据(测量装置的偏振串扰噪声)；

图6是波导尾纤慢轴与波导芯片快轴对准，器件的输入0°～45°、输出45°～0°接入测量装置时，测量得到的分布式偏振串音数据(Y波导器件的光学特性)；

图7是波导尾纤快轴与波导芯片快轴对准，器件0°～90°、90°～0°接入测试装置时，测量得到的分布式偏振串音数据(测量装置的偏振串扰噪声)；

图8是波导尾纤快轴与波导芯片快轴对准，器件的输入0°～45°、输出45°～0°接入测量装置时，测量得到的分布式偏振串音数据(Y波导器件的光学特性)。

具体实施方式

本发明提出的基于白光干涉仪测量装置的多功能铌酸锂集成光学器件(Y波导)的光学性能测量方法，分别在波导器件的保偏尾纤的快轴和慢轴均匀地注入信号光，通过测量波导器件传输轴(快轴)和截止轴(慢轴)的白光干涉信号幅度与传输轴自身干涉信号幅度之间的比值，获得波导芯片消光比、波导耦合串音等光学参数；测量步骤，包含波导器件输入/输出尾纤的长度选择与测量、波导芯片几何参数的测量、波导器件光注入条件选择、波导器件的分布式偏振串音特性测量，以及波导器件光学性能参数计算，具体过程如附图1所示：

1)测量波导器件输入保偏尾纤21的长度l_W-i，要求传输在输入保偏尾纤21快慢轴之间光波的光程差S_W-i(S_W-i＝l_W-i×Δn_f，Δn_f保偏尾纤的线性双折射)大于宽谱光源11光谱纹波产生的相干峰的光程S_ripple，即满足

S_W-i>S_ripple (1)

2)如果输入保偏尾纤21的长度l_W-i不满足(1)式，则焊接一段输入延长保偏光纤25，要求焊点24的对轴角度为0°-0°，同时延长光纤25的光纤长度l_f-i需要满足光程差S_f-i(S_f-i＝l_f-i×Δn_f，Δn_f保偏尾纤的线性双折射)大于宽谱光源11光谱纹波产生的相干峰的光程S_ripple，即满足

S_f-i>S_ripple (2)

测量并记录输入延长保偏光纤25的长度l_f-i；

3)测量波导芯片22的长度l_W；

4)测量波导器件输出保偏尾纤23的长度l_W-o，要求传输在输出保偏尾纤23快慢轴之间光波的光程差S_W-o(S_W-o＝l_W-o×Δn_f)大于传输在波导芯片22快慢轴之间光波的光程差S_W(S_W＝l_W×Δn_W，Δn_W波导芯片的线性双折射)，即满足

S_W-o>S_W (3)

5)如果输出保偏尾纤23的长度l_W-o不满足3式要求，则焊接一段输出延长保偏光纤27；要求焊点26的对轴角度为0°-0°，同时长度l_f-o输出延长保偏光纤27的光程差S_f-o(S_f-o＝l_f-o×Δn_f)的需要满足

S_f-o>S_W (4)

测量并记录输出延长保偏光纤27的长度l_f-o；

6)首次测试波导器件时，其输入/输出保偏尾纤21、23慢轴与波导芯片22的传输轴(快轴)对准时，器件的光注入条件应该满足：无输入延长保偏光纤25时，输入保偏尾纤21与白光干涉仪输出起偏器15的尾纤16的对轴角度θ₁为0°-0°；有输入延长保偏光纤25时，输入延长保偏光纤25与尾纤16的对轴角度θ₁也为0°-0°；无输出延长保偏光纤27时，输出保偏尾纤23与尾纤31的对轴角度θ₂为0°-0°；有输出延长保偏光纤27时，输出延长保偏光纤27与尾纤31的对轴角度θ₂也为0°-0°；

其输入/输出尾纤21、23快轴与波导芯片22的传输轴(快轴)对准时，器件的光注入条件应该满足：输入保偏尾纤21或者延长光纤25与尾纤16的对轴角度θ₁为0°-90°；输出保偏尾纤23或者输入延长光纤27与尾纤31的对轴角度θ₂为90°-0°；

7)启动白光干涉仪，获得第一次分布式偏振串音测量结果，即白光干涉仪的仪器偏振串音噪声本底数据，其横坐标为扫描光程数值S(单位：μm)，纵坐标为偏振串音幅度E(单位：dB)；测量的光程扫描范围ΔS需要满足

ΔS>2(S_f-i+S_W-i+S_W+S_W-o+S_f-o) (5)

并且，光程扫描范围的中点尽量选择为偏振串音测量数据的最大峰值的位置。

8)变换波导器件的光注入条件：无输入延长保偏光纤25时，输入保偏尾纤21与白光干涉仪输出起偏器15的尾纤16的对轴角度θ₁为0°-45°；有输入延长保偏光纤25时，输入延长保偏光纤25与尾纤16的对轴角度θ₁也为0°-45°；无输出延长保偏光纤27时，输出保偏尾纤23与白光干涉仪输入检偏器32的尾纤31的对轴角度θ₁为45°-0°；有输出延长保偏光纤27时，输出延长保偏光纤27与尾纤31的对轴角度θ₂也为45°-0°；

9)启动白光干涉仪，获得第二次分布式偏振串音测量结果，即器件的光学偏振串音测量数据，其光程扫描范围ΔS的要求与步骤7)相同；

10)如果已知白光干涉仪的偏振串音本底数据，可以略过测量步骤6)和7)直接获得仪器的光学偏振串音测量数据，通过对数据的分析和计算，可以一次性地获得波导器件的芯片消光、芯片的线性双折射，波导输入/输出端尾纤的耦合串音、尾纤的线性双折射等光学参量。

输入保偏尾纤21、输出保偏尾纤23和延长保偏光纤25、延长保偏光纤27的长度选择依据，其特征是：输入保偏尾纤21、输出保偏尾纤23的长度选择依据可以对换，相应的延长保偏光纤25、延长保偏光纤27的长度选择依据也需要同时对换。

波导器件的芯片消光、芯片的线性双折射，波导输入/输出端尾纤的耦合串音、尾纤的线性双折射的计算步骤是：

1)将测量步骤9)获得的器件分布式偏振串音测量结果与步骤7)获得(或已知)的白光干涉仪的仪器偏振串音本底数据进行对比，可以获得若干由波导芯片、波导输入/输出尾纤、输入/输出延长光纤引入的偏振串音特征峰，峰值的横坐标对应光程差S(单位：μm)，纵坐标对应偏振串音的幅度E(单位：dB)；

2)输入延长保偏光纤25的长度l_f-i数值，可以计算得到输入延长保偏光纤25的理论光程延迟数值S_f-i(理论)(S_f-i(理论)＝l_f-i×Δn_f(理论)，Δn_f(理论)按5×10^-4计)；器件偏振串音测试数据中，可以确定满足光程延迟量S_f-i(理论)的偏振串音峰值是由输入延长保偏光纤25与输入保偏尾纤21的焊点24引起，其纵坐标数值对应焊点24串音值E_f-i，横坐标对应为延迟光纤真实的光程延迟量S_f-i(测量)；

3)根据波导输入保偏尾纤21的长度l_W-i数值，可以计算得到波导输入保偏尾纤21的理论光程延迟数值S_W-i(理论)(S_W-i(理论)＝l_W-i×Δn_f(理论)，Δn_f(理论)按5×10^-4计)；器件测试数据中，可以确定满足光程延迟量S_f-i(测量)+S_W-i(理论)的偏振串音峰值是由输入保偏尾纤21与波导芯片22的功率耦合串音引起，其纵坐标耦合串音值E_W-i，横坐标对应真实的光程延迟量S_f-i(测量)+S_W-i(测量)；

4)根据波导输入保偏尾纤21的长度l_W-i和其对应的真实光程延迟量S_W-i(测量)，可以精确计算得到波导输入保偏尾纤21的线性双折射Δn_f-i(测量)，它由(6)式确定：

Δn_f-i(测量)＝S_W-i(测量)/l_W-i (5)

5)与2)～4)步骤类似，根据输出延长保偏光纤27的长度l_f-o、波导输出保偏尾纤23长度l_W-o，可以确定输出延长保偏光纤(27)与输出保偏尾纤23的焊点26串音值E_f-i、输出保偏尾纤23与波导芯片22的功率耦合串音值E_W-o，以及波导输出保偏尾纤23的线性双折射Δn_f-o；

Δn_f-o(测量)＝S_W-o(测量)/l_W-o (6)

6)根据波导芯片22的长度l_W，可计算得到其快、慢轴之间的光程延迟量S_W(理论)(S_W(理论)＝l_W×Δn_W(理论)，线性双折射Δn_W(理论)按8×10^-2计)；在器件偏振串音测试数据中，可以在输入保偏尾纤21、输入延长保偏光纤25、输出保偏尾纤23、输出延长保偏光纤27与波导芯片22快、慢工作轴之间产生光程差之和(S_f-i(测量)+S_W-i(测量)+S_W(理论)+S_W-o(测量)+S_f-o(测量))或者光程之差(S_f-i(测量)+S_W-i(测量)+S_W-o(测量)+S_f-o(测量)-S_W(理论))所对应的横坐标处，找到波导芯片22的偏振串音峰值，其幅值E_W的绝对值即为波导芯片22的消光比；波导芯片22串音峰值出现在上述光程之和(S_f-i(测量)+S_W-i(测量)+S_W(测量)+S_W-o(测量)+S_f-o(测量))处，可以确定波导尾纤的快轴与波导快轴对准，而出现在上述光程之差(S_f-i(测量)+S_W-i(测量)+S_W-o(测量)+S_f-o(测量)-S_W(测量))则确定波导尾纤的慢轴与波导快轴对准；根据测量得到的波导芯片22的光程延迟量S_W(测量)和波导芯片22的真实长度l_W，可以精确计算得到波导芯片22的线性双折射Δn_W(测量)

Δn_W(测量)＝S_W(测量)/l_W(7)

基于白光干涉仪测量装置的一种多功能铌酸锂集成光学器件(Y波导)的光学性能测量方法，其测试原理如附图2所示。由光源模块1发出的检测光经过待测器件2，带有器件光学特征的信号光被送入白光测量装置3中，借助于光电探测、处理模块4，可以一次性地获得波导芯片消光比、线性双折射等多个光学参量。测量装置的具体功能为：

宽谱光源11发出信号光经过2/98的光纤耦合器12，2％的功率被送入到光电探测器(PD0)13，用于检测光源功率，其余98％经过光纤隔离器(ISO)14后，被白光干涉仪输出起偏器(LP)15变为高稳定的宽谱偏振光，经过起偏器的输出尾纤16，通过第1光纤旋转连接器17，将检测光注入到待测波导器件2中；

波导器件2至少由输入光纤、波导芯片和输出光纤3部分组成，器件中存在的若干光学不连续点，包括：波导芯片、光纤与波导耦合点、光纤焊点，以及其他波导内部和光纤内部的缺陷等，会使传输在待侧集成光学器件中一个特征轴(例如快轴)的信号光能量的一部分耦合到正交的另外一个特征轴(例如慢轴)中，形成一系列的耦合光束，耦合光束的强度和光程位置与器件的光学性能一一对应。

上述耦合光束连同剩余的传输光束通过第2光纤旋转连接器30输出到白光测量装置3中，由于光纤和铌酸锂波导存在线性双折射，两个特征轴之间存在的折射率差使传输光和耦合光在光程上发生分立；上述光束经过白光干涉仪输入检偏器32的偏振极化后，由光纤耦合器33分别均匀地分成两部分，能量的一半传输在光纤34组成的参考臂中，到达光纤耦合器38；能量的另外一半传输在由光纤环行器35、自聚焦透镜36和移动反射镜37组成的扫描臂中，同样到达光纤耦合器38与参考臂光束白光干涉信号，被第2、第3光电探测器391、392接收并将光信号转换为电信号。此信号经过信号解调电路41处理后，送入测量计算机42中；测量计算机42另外还要负责控制移动反射镜37实现光程扫描。

当M-Z干涉仪的移动反射镜37进行光程扫描，使传输光与耦合光发生光程匹配，将产生白光干涉信号，其峰值幅度对应耦合光的幅度；白光干涉信号峰值之间的光程差异对应耦合光发生的空间位置，因此通过对波导器件内一系列耦合光白光干涉信号强度和光程位置的探测，可以获得器件内部消光比、光纤耦合点、光纤焊点等光学特性的测量。

如图3所示，当待测波导器件2与宽谱光源和白光测量装置3的对准角度为0°～45°、45°～0°对准时，获得的白光干涉信号的幅度和光程延迟量，可以如下式表示：

式中：S代表光程扫描延迟量，R(S)为宽谱光源的归一化自相干函数，R(0)＝1，传输光的白光干涉峰值信号幅度，光程差为零；R(S)＝0(S>S₀时，S₀为宽谱光源的相干长度)；S_f-i、S_f-o、S_W-i、S_W-o、S_W分别为输入/输出延长光纤、输入/输出尾纤和波导芯片的光程延迟量，当慢轴光程超前于快轴光程时，上述延迟量定义为+；当慢轴光程落后于快轴光程时，上述延迟量定义为－，各光程延迟量可以依次表示为：

式中，l_f-i、l_f-o、l_W-i、l_W-o、l_W分别为输入/输出延长光纤、输入/输出尾纤和波导芯片的长度，Δn_f、Δn_W分别为保偏光纤和波导芯片的线性双折射；S_ripple为光源光谱纹波相干峰值的光程差，它与SLD光源的有源区和折射率长度成正比，S_i为白光干涉测试装置3中存在的其他光学缺陷导致的干涉峰值的光程延迟量；ρ_f-i、ρ_f-o分别为输入延长光纤和波导输入光纤的焊点、输出延长光纤和波导输出光纤的焊点的串音振幅幅值，ρ_W-i、ρ_W-o、分别为波导输入/输出光纤与波导芯片的耦合串音振幅幅值，ε_chip为Y波导消光比的振幅幅值，ρ_ripple为光源光谱纹波导致的相干峰值幅值；ρ_i为白光干涉测试装置3中存在的光学缺陷导致的干涉峰值幅值。

由(8)、(9)式可知，如果已知输入/输出延长光纤、输入/输出波导尾纤、以及波导芯片的长度及其双折射，通过白光干涉测量装置光程扫描，在光程延迟量±S_f-i、±S_f-o、±(S_f-i+S_W-i)、±(S_f-o+S_W-o)、±(S_f-o+S_W-o+S_f-i+S_W-i+S_W)可以获得白光干涉峰值，通过对幅度的计算，可以一次扫描即可获得ρ_f-i、ρ_f-o、ρ_W-i、ρ_W-o、ε_chip等光学参数。

由(9)式可知，仅从光程和串音幅度上难以对波导器件和光源光谱纹波、测试装置3中存在的偏振串音峰值加以区分，因此后者会对测量产生较大影响。一般情况下，输入/输出延长光纤焊点串音、输入/输出波导尾纤耦合串音等，其幅值不会超过-50dB(对应的消光比小于50dB)，而宽谱光源光谱纹波(ripple)产生的相干峰的幅度在-60～-70dB之间，因此，基本上光源不会对上述参量的测量产生影响；但对于波导芯片消光比则不然，其幅值通常都在50dB以上，较高的达到80dB(对应偏振串音在-80dB)以上，如果波导芯片的干涉光程(S_f-i+S_W-i+S_W-o+S_f-o+S_W)与光源光谱纹波的相干峰(在光程域上具有较宽的范围，通常为几个mm)相重叠，则会造成无法分辨，因为为了保证测量的可实现性，必须对输入光纤(或者输出光纤)的长度进行要求，即满足公式(1)，或者将输入光纤(或者输出光纤)延长，即满足公式(2)。

由于待测波导芯片的消光比可能高达80dB以上，为了更加准确的确定各特征峰值的幅度和光程位置，消除光源光谱纹波、白光干涉测试装置其他光纤光路缺陷对测量的影响，可以先获得宽谱光源和白光干涉测试装置3的仪器噪声本底，然后通过噪声与信号的对比，确定波导芯片、光纤耦合点等待测量产生的偏振串音峰值，具体可以通过改变待测器件2与宽谱光源和测试装置3的对准角度来实现。

如图4所示，当波导器件的输入/输出保偏尾纤21、23慢轴与波导芯片22的传输轴(快轴)对准时，注入光信号为输入0°～0°对准，输出0°～0°对准时，在θ₁≈0、θ₂≈0的条件下，获得的白光干涉信号的幅度和光程延迟量近似地表示为：

式中：θ₁、θ₂为输入、输出的对准角度。

当波导器件的输入/输出保偏尾纤21、23快轴与波导芯片22的传输轴(快轴)对准时，注入光信号为输入0°～90°对准，输出90°～0°对准时，可以同样的到(10)相同的结果，仅需将角度变为

对比(8)式和(10)可知，当对准角度θ₁、θ₂改变时，待测器件中各点的干涉峰值(偏振串音)的光程位置没有变化，但是干涉信号(串音幅值)受到了焊接角度的调制，当θ₁≈0、θ₂≈0(或者)时，偏振串音峰值基本将极大地被削弱；而测量噪声，包括：宽谱光源光谱纹波、白光干涉测量装置3中其他光学缺陷产生的串音峰值，由于与待测器件注入光的角度无关，其幅值基本可不变。因此，通过对(9)、(10)式两次测量结果的对比，可以对信号和噪声加以区分。

为清楚地说明本发明集成波导调制器(Y波导)的光学性能测量方法，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1——尾纤慢轴与波导芯片的快轴的Y波导器件的测量

器件测量装置如图2所示，白光干涉测量装置的器件选择与参数如下：

(1)宽谱光源11的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW，光源光谱纹波<0.05dB(峰值幅度大约为-60dB)，相干峰的范围4～7mm；DFB光源311的半谱宽度小于50MHz，出纤功率大于1mW；

(2)2/98光纤耦合器12工作波长1550nm、分光比2：98；

(3)光纤隔离器14工作波长1550nm、***损耗0.8dB；

(4)白光干涉仪输出起偏器15、白光干涉仪输入检偏器32的工作波长为1550nm，消光比为30dB，***损耗小于1dB；

(5)第1、第2光纤旋转连接器17、30的***损耗为1dB，消光比优于18dB；

(6)第1、第2光纤耦合器33、38的工作波长1310/1550nm，分光比50：50；

(7)光纤环行器35为三端口环行器，***损耗1dB，回波损耗大于55dB；

(8)自聚焦透镜36的工作波长为1550nm，它与移动反射镜37(反射率为92％以上)之间的光程扫描距离大约在0～200mm之间变化，平均***损耗为2.0dB；

(9)第1、第2、第3光电探测器13、391、392的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，响应度大于0.85；

(10)待测Y波导器件的工作波长1550nm，波导尾纤慢轴与波导芯片的快轴对准，波导芯片长度20mm。

器件测量的具体流程如附图1所示：

根据步骤501可知，测量Y波导输入尾纤l_W-i的长度为：1.53米；

根据步骤502可知，输入尾纤l_W-i的理论光程(Δn_f按5×10^-4计)S_W-i＝0.765mm；而S_ripple＝4～7mm，可见，必须要焊接输入延长光纤；

根据步骤503可知，连接延长光纤l_f-i的长度至少要7×10^-3/5×10^-4＝14米，实际选取15米；

根据步骤504可知，测量波导芯片的长度为20mm，其理论光程(Δn_W按8×10^-2计)S_W＝1.6mm，对应的输出尾纤长度l_W-o＝1.6×10^-3/5×10^-4＝3.2米；

根据步骤505可知，测量输出尾纤长度l_W-o为1.72米；

根据步骤506～507可知，输出尾纤的光程S_W-o<S_W，可见，必须要焊接输入出延长纤，焊接延长光纤l_f-o至少要3.2米，实际选取5.6米；

根据步骤508、509，将待测器件接入到如图2所示的白光干涉测量装置3中，由于是首次对器件进行测量，并且器件尾纤慢轴与波导芯片快轴对准，调整输入/输出对轴角度为0°-0°，如图4所示；

根据步骤511，启动白光干涉测量装置，获得测量结果如图5所示，61表示为测量的干涉主峰，它是测量幅度和光程位置参考点；62(62’)、63(63’)为测量装置3光路的杂散干涉峰；64(64’)为光源光谱纹波导致的高阶相干峰；65(65’)为测量装置3的偏振串音噪声本底，代表测量装置的测量极限；

根据步骤512，调整输入/输出角度为0°-45°，如图3所示；

根据步骤513，再次启动测试装置，获得测量结果如图6所示；

根据步骤514，对比图5和图6两次测试结果，获得特征峰6A～6E(6A’～6E’分别6A～6E对称)共10个特征峰；

由步骤515～520，根据输入/输出延长光纤长度分别为l_f-i＝15.00米、l_f-o＝5.60米，输入/输出尾纤分别为l_W-i＝1.53米、l_W-o＝1.72，波导芯片长度为20mm，根据计算得到的光程±(S_f-i+S_W-i)、±(S_f-i)、±(S_f-o+S_W-o)、±(S_f-o)、±(S_f-i+S_W-i+S_W-o+S_f-o-S_W)，可以确定特征峰6A～6E(6A’～6E’)分别代表，6A、6A’为输入尾纤耦合串音；6B、6B’为输入延长光纤焊点串音；6C、6C’为输出尾纤耦合串音；6D、6D’为输出延长光纤焊点串音；6E、6E’为波导芯片串音；其测量得到的各点偏振串音幅度和光纤与波导的线性双折射详见表1。

表1尾纤慢轴与波导芯片的快轴的Y波导器件的测量结果

由表1可知各点串音的测量值幅度在±0.2dB为测量误差，其中波导芯片的消光比为55.2±0.2dB。

实施例2——尾纤快轴与波导芯片的快轴的Y波导器件的测量

器件测量装置同样如图2所示，测量装置的选择与参数同实施例1，不同之处为，待测Y波导器件的波导尾纤快轴与波导芯片的快轴对准，波导芯片长度30mm。

器件测量的具体流程如附图1所示，其测试过程与实施例1大致相同，差别之处在于：

(1)测量Y波导输入尾纤长度l_W-i＝6.11米，同样需要连接输入延长光纤，取l_f-i＝15.00米；

(2)测量输出尾纤长度l_W-o为0.90米，波导芯片的长度为30mm；同样需要连接延长光纤，取l_f-o＝5.60米；

(3)根据步骤508、510，器件尾纤快轴与波导芯片快轴对准，调整输入/输出对轴角度为0°-90°、90°-0°，启动白光干涉测量装置，获得第一次测量数据，即噪声本底结果如图7所示；图中71表示为测量的干涉主峰，它是测量幅度和光程位置参考点；72(72’)、73(73’)、74(74’)为测量装置3光路的杂散干涉峰；75(75’)为光源光谱纹波导致的高阶相干峰；76(76’)为测量装置3的偏振串音噪声本底，代表测量极限；

(4)根据步骤512，调整对准角度为45°-0°、0°-45°，获得第二次测试结果如附图8；

(5)根据步骤514～520，对比图7和图8两次测试结果，根据l_f-i＝15.00米、l_f-o＝5.60米，l_W-i＝6.11米、l_W-o＝0.90米，l_W＝30mm，确定图8中±(S_f-i+S_W-i)、±(S_f-i)、±(S_f-o+S_W-o)、±(S_f-o)、±(S_f-i+S_W-i+S_W-o+S_f-o+S_W)，可以确定特征峰7A～7E(7A’～7E’)的各点含义、串音幅度、线性双折射等详见表2。

由表2可知各点串音的测量值幅度在±0.2dB之内(测量误差)，波导芯片的消光比为47.7±0.2dB。

表2尾纤快轴与波导芯片的快轴的Y波导器件的测量结果

Claims

1.一种多功能铌酸锂集成器件的光学性能测量方法，其特征在于：