CN110108401B - 一种通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法和装置。硅波导内应力的各向异性会造成不同方向上的折射率不同，通过测量偏振光经过硅波导之后的偏振旋转量能够获得硅片内的应力信息。方法包括两部分，第一步测定待测器件的快慢轴方向，第二步测量待测器件出射光的偏振旋转角度，计算内应力。通过测量相邻的最小偏振旋转对应的输入偏振角度的平均值得到快慢轴方向。测得的快慢轴方向和偏振旋转角度作为应力计算的输入，应力计算步骤由程序自动完成。

Description

一种通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法及装置
技术领域
本发明涉及集成光电子领域，尤其涉及一种通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法及装置。
背景技术
随着光通讯，光传输的普及，传统的微光学器件正由集成光学，集成光电器件所代替。光波导是集成光电器件中最常见的器件之一。光波导是能限制、传输和耦合光波的几何波导结构，能够将光波限制在其内部或其表面附近，引导光波沿着确定的方向传播的导光通道。
绝缘衬底上的薄膜硅材料(Silicon-on-insulator，SOI)是一种新型的硅基光电子材料，其加工工艺和标准的CMOS工艺兼容性良好，近年来在半导体光电子学领域的应用日益广泛。以绝缘衬底上的硅SOI为基片的光波导和平面集成回路可以帮助降低光芯片的成本，并实现多功能单片集成。SOI光波导器件的研究成为目前硅光子学研究的一个热点问题。
硅基SOI光波导的多层材料间热膨胀系数不匹配，不可避免会在波导材料内部引入应力，产生双折射现象，带来偏振相关性能之差，可采用镀膜、刻槽等方式减小该偏振相关性能差。为了使应力补偿措施生效需要了解波导内应力信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个实施例，提供一种通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法，包括：
步骤101，测定待测器件的快慢轴方向；
步骤102，测量待测器件出射光的偏振旋转角度，计算内应力。
在本发明的一个实施例中，所述步骤101进一步包括：
步骤201，设置入射光的消光比；
步骤202，设置入射光的偏振角度；
步骤203，确定出射光偏振旋转为零的角度；
步骤204，确定入射光与快慢轴之间夹角为45度的角度；
步骤205，确定快慢轴方向。
在本发明的一个实施例中，通过四分之一波片设置入射光的消光比。
在本发明的一个实施例中，通过二分之一波片设置入射光的偏振旋转。
在本发明的一个实施例中，通过测量出射偏振光功率最小和最大对应的偏振角度来确定出射光偏振旋转为零的角度。
在本发明的一个实施例中，通过测量出射光偏振旋转为零来确定入射光与快慢轴之间夹角为45度的角度。
在本发明的一个实施例中，确定快慢轴方向包括通过获取相邻两个入射光与快慢轴之间夹角为45度的角度平均值作为快慢轴方向。
在本发明的一个实施例中，所述步骤102进一步包括：
步骤301，测定入射光和出射光的偏振角度和消光比；
步骤302，确定快慢轴上的分量的损耗和相位变化；
步骤303，基于快慢轴分量的变化确定快慢轴上的折射率；
步骤304，根据光弹效应确定快慢轴上的应力差。
根据本发明的另一个实施例，提供一种通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的装置，包括：
依次光耦合的准直器；检偏器；消光比设置器；偏振旋转设置器；光功率计；以及
处理器，其中待测器件耦合在偏振旋转设置器和光功率计之间，所述处理器接收光功率计的输出数据，
其中入射光经过所述准直器和检偏器之后由所述消光比设置器设置消光比，再经所述偏振旋转设置器设置偏振旋转角度之后经准直器入射待测器件，从待测器件出射后经过所述准直器和检偏器到光功率计，所述光功率计测定出射偏振光的信息，所述信息被发送至处理器，由所述处理器自动处理得到待测器件的应力信息。
在本发明的另一个实施例中，所述消光比设置器为四分之一波片。
在本发明的另一个实施例中，所述偏振旋转设置器为二分之一波片。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施例的通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法的流程示意图。
图2示出不同输入消光比下，偏振旋转与输入偏振相对快慢轴夹角的关系。
图3示出根据本发明的一个实施例确定待测器件的快慢轴方向的方法的流程示意图。
图4示出根据本发明的一个实施例测量待测器件出射光的偏振旋转计算应力的方法的流程示意图。
图5示出根据本发明的一个实施例的通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的装置。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
图1示出根据本发明的一个实施例的通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法的流程示意图。首先，在步骤101，测定快慢轴方向，测定待测芯片或器件的快慢轴方向。在步骤102，测量出射光的偏振旋转计算应力，测量光经过待测芯片或器件发生的偏振旋转角度，以快慢轴方向和偏振旋转角度为输入推算出芯片或器件的应力。
图2示出不同输入消光比下，偏振旋转与输入偏振相对快慢轴夹角的关系。从图2可以看出，当输入光偏振与快慢轴夹角45时，会有最小偏振旋转，旋转量为0。所以快慢轴方向为两个相邻偏振旋转为零的入射光角度的平均值。
测定芯片或器件的快慢轴方向的方法有多种选择，图3示出根据本发明的一个实施例的测量芯片或器件的快慢轴方向的方法的流程示意图。首先，在步骤201，设置入射光的消光比。设置消光比的方式有多种选择，在本发明的一个实施例中，通过***四分之一波片来实现。接下来，在步骤202，设置入射光的偏振旋转。设置偏振旋转的方式有多种选择，在本发明的一个实施例中，通过***二分之一波片来实现。然后，在步骤203，确定出射光偏振旋转为零的角度，出射光偏振角度通过检偏器在不同角度测到的功率值来确定，测量功率最小和最大对应的检偏器角度为偏振角度，功率最小和最大的值相等时出射光偏振旋转角度为零。在步骤204，确定入射光与快慢轴之间夹角为45度的角度，由于输入光偏振与快慢轴夹角为45度时，出射光会有最小偏振旋转，即偏振旋转为零，根据出射光偏振旋转为零可确定入射光与快慢轴之间夹角为45度的角度。在步骤205，确定快慢轴方向，相邻两个入射光与快慢轴之间夹角为45度的角度平均值就是快慢轴方向。
图4示出根据本发明的一个实施例的测量出射光的偏振旋转计算应力的方法的流程示意图。
步骤301，测定入射光和出射光的偏振角度和消光比。
通过检偏器测到功率最小值和最大值，检偏器角度对应所测入射光或出射光的偏振角度，消光比为检偏振器相对于被检偏振器的最大透过光强与最小透过光强之比，可以通过光功率计测定。
步骤302，确定快慢轴上的分量的损耗和相位变化。
假设快慢轴方向分别对应i和j方向，则入射偏振光在快慢轴i和j上分解为：
Ei＝Aicos(ωt) (1)
Figure BDA0001566186730000051
出射偏振光在快慢轴i和j上分解为：
Ei＝Aicos(ωt+ni2πL/λ) (3)
Figure BDA0001566186730000052
入射光和出射光的偏振角度可以通过测量获得，其中L为器件长度，根据公式(1)、(2)、(3)和(4)可以确定快慢轴上的分量的损耗和相位变化。
步骤303，从快慢轴分量的变化推出快慢轴上的折射率。
通过步骤302确定快慢轴上的相位变化，根据(3)和(4)可推出快慢轴上的折射率ni和nj。
步骤304，根据光弹效应推出快慢轴上的应力差。
根据光弹效应，由于应力导致的快慢轴上折射变化由以下公式(5)和(6)确定：
dni＝C11Si–C12(Sj+Sk) (5)
dnj＝C11Sj–C12(Si+Sk) (6)
dni和dnj为i方向和j方向上应力导致折射率变化，Si，Sj，Sk为三个方向上应力，C11和C12为光弹系数。
dni–dnj＝(C11+C12)(Si–Sj) (7)
通过公式(7)可得快慢轴上的应力差Si–Sj，该计算过程可由程序自动完成。
图5示出根据本发明的一个实施例的通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的装置。光经过准直器41和检偏器42之后由消光比设置器43设置消光比，再经偏振旋转设置器44设置偏振旋转角度之后经准直器45入射进待测器件，从待测器件出射后经过准直器46和检偏器47由光功率计48测定出射偏振光的信息，上述信息发送至处理器49由处理器49自动处理得到待测器件的应力信息。
在本发明的一些实施例中，消光比设置器43可以是四分之一波片；偏振旋转设置器44可以是二分之一波片。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (5)

1.一种通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法，包括：
步骤101，测定待测器件的快慢轴方向，包括：通过四分之一波片设置入射光的消光比；然后，通过二分之一波片设置入射光的偏振角度；然后，通过测量出射偏振光功率最小和最大对应的偏振角度确定出射光偏振旋转为零的角度；然后，通过测量出射光偏振旋转为零来确定入射光与快慢轴之间夹角为45度的角度；通过获取相邻两个入射光与快慢轴之间夹角为45度的角度平均值作为快慢轴方向；
步骤102，通过检偏器测量待测器件出射光的偏振旋转角度，以快慢轴方向和偏振旋转角度为输入推算出芯片或器件的应力。
2.如权利要求1所述的通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的方法，其特征在于，所述步骤102进一步包括：
步骤301，测定入射光和出射光的偏振角度和消光比；
步骤302，假设快慢轴方向分别对应i和j方向，则入射光在快慢轴i和j上分解为：
Ei＝Aicos(ωt) (1)
Figure FDA0002755914560000011
出射光在快慢轴i和j上分解为：
Ei＝Aicos(ωt+ni2πL/λ) (3)
Figure FDA0002755914560000012
其中L为器件长度，ni和nj是快慢轴上的折射率，根据公式(1)、(2)、(3)和(4)确定快慢轴上的分量的损耗和相位变化，确定入射光和出射光在快慢轴上的分量的损耗和相位变化；
步骤303，基于快慢轴分量的变化确定快慢轴上的折射率；
步骤304，根据光弹效应，由于应力导致的快慢轴上折射变化由以下公式(5)和(6)确定：
dni＝C11Si–C12(Sj+Sk) (5)
dnj＝C11Sj–C12(Si+Sk) (6)
dni和dnj为i方向和j方向上应力导致折射率变化，Si，Sj，Sk为三个方向上应力，C11和C12为光弹系数，
dni–dnj＝(C11+C12)(Si–Sj) (7)
通过公式(7)确定快慢轴上的应力差Si–Sj。
3.一种通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的装置，包括：
依次光耦合的第一准直器；第一检偏器；消光比设置器；偏振旋转设置器；第二准直器；待测器件；第三准直器、第二检偏器；光功率计；以及
处理器，其中所述处理器接收光功率计的输出数据，
其中入射光经过所述第一准直器和第一检偏器之后由所述消光比设置器设置消光比，再经所述偏振旋转设置器设置偏振旋转角度之后经第二准直器入射待测器件，从待测器件出射后经过所述第三准直器和检偏器到光功率计，所述光功率计测定出射偏振光的信息，所述信息被发送至处理器，由所述处理器以快慢轴方向和偏振旋转角度为输入自动处理得到待测器件的应力信息，
其中假设快慢轴方向分别对应i和j方向，则入射光在快慢轴i和j上分解为：
Ei＝Aicos(ωt) (1)
Figure FDA0002755914560000021
出射光在快慢轴i和j上分解为：
Ei＝Aicos(ωt+ni2πL/λ) (3)
Figure FDA0002755914560000022
其中L为器件长度，ni和nj是快慢轴上的折射率，处理器根据公式(1)、(2)、(3)和(4)确定快慢轴上的分量的损耗和相位变化，确定入射光和出射光在快慢轴上的分量的损耗和相位变化；
处理器基于快慢轴分量的变化确定快慢轴上的折射率；处理器根据光弹效应，由于应力导致的快慢轴上折射变化由以下公式(5)和(6)确定：
dni＝C11Si–C12(Sj+Sk) (5)
dnj＝C11Sj–C12(Si+Sk) (6)
dni和dnj为i方向和j方向上应力导致折射率变化，Si，Sj，Sk为三个方向上应力，C11和C12为光弹系数，
dni–dnj＝(C11+C12)(Si–Sj) (7)
处理器通过公式(7)确定快慢轴上的应力差Si–Sj。
4.如权利要求3所述的通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的装置，其特征在于，所述消光比设置器为四分之一波片。
5.如权利要求3所述的通过偏振旋转测量获得波导内应力信息的装置，其特征在于，所述偏振旋转设置器为二分之一波片。
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