[發明專利]一種在片上波導上的原位損耗測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202010978883.9
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN112197941B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 孫一之;丁偉
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

本發明公開了一種在片上波導上的原位損耗測量裝置及方法，該方法步驟包括：搭建在片上波導上的原位損耗測量裝置，調節光路使激光端面耦合進入波導中，將抖動的探針放置到待測波導某位置的中心處；抖動的探針與片上波導中的導模倏逝場相互重疊后，產生調制信號光，調制信號光為第一信號光和第二信號光的疊加；掃頻激光器掃頻，提取鎖相放大器的解調信號；對該位置的解調信號進行傅里葉分析，得出探針的位置和該位置的相對振幅，相對振幅為第一信號光和第二信號光振幅的比值；根據具體需要測量的損耗類型選擇探針需要擺放的位置，根據每個位置分析得到的探針位置和對應的相對光強信息，計算相應的損耗。本發明保證對任意尺寸的波導和任意復雜度的片上光子回路進行損耗特性原位測量的可能性。

技術領域

本發明涉及片上光子回路性能測試技術領域，具體涉及一種在片上波導上的原位損耗測量裝置及方法。

背景技術

隨著微納光子技術的進步，片上光子集成回路(Photonic Integrated Circuit，PIC)已經可以將數千個功能器件集成到一個芯片之中，從而實現低功耗的光通信、光傳感、光測量、光計算功能。作為光子集成回路最基本的組成部分，片上微納波導擔負著連通各個光學器件的基礎性功能，它的損耗特性將直接決定整個光子回路的性能。因此，精確可靠的波導損耗測量對于推動片上光子集成技術發展具有至關重要的作用。這里的損耗既包括了波導的傳輸損耗，也包含了波導中器件的插入損耗以及回波損耗。隨著片上光子集成回路的規模增大，以及對以“模分復用”技術為代表的的多種復用技術的廣泛應用研究，單獨對其中一段波導或者單個器件的損耗特性進行“原位測量”成為了新的關鍵性的需求，也是當前測試技術尚未解決的重大課題。

現有的片上波導損耗測量方法主要包括兩類。一類是“黑盒子”方法，主要包括截斷法、法布里珀羅腔頻譜分析法和環形腔頻譜分析法。這類方法雖然可以對單根波導的損耗進行較為精確的測量，但是存在一些影響測量結果的人為因素(比如波導輸入/輸出耦合效率未知、波導兩端反射率易受影響等)。而且，這類測量無法區分光子回路中某一段波導的損耗，不能實現“原位測量”。另一類損耗測量方法是通過收集和分辨波導沿線由自身缺陷產生的微弱散射光來實現的，包括遠場直接成像方法和光頻域反射法(OpticalFrequency-Domain Reflectometry，OFDR)。對于分辨傳輸損耗的構成來說，這類方法一定程度上打破了“黑盒子”方法的限制。但是，它們仍然存在空間分辨率不足和測量維度受限的問題，在靈活性方面仍然與“原位測量”的要求有較大差距，特別是無法應用于岔路結構較多的波導回路以及使用偏振/模式復用的情況。

想要對片上光子回路進行嚴格意義的“原位測量”，一個可以靈活部署的光學探針是關鍵性的工具。目前出現的十微米至百微米尺寸的非侵入性探針可以幫助人們對光子回路的局部區域進行光路測試。不過，由于這類由光纖頭、光柵、電容器做成的探針空間尺寸較大、精確度較低，它們只適用于定性的光路連通性測試，無法進行定量的損耗測量。相比之下，近場光學顯微鏡(Near-field Scanning Optical Microscope，NSOM)探針具有極高的空間分辨率(小于100nm)，是進行精確的原位損耗測量的潛在方案。但是在實際應用中，現有的NSOM技術還存在一些關鍵性的問題。第一，無論是有孔式還是散射式NSOM技術，它們的光路都比較昂貴復雜。第二，NSOM的探針掃描速度太慢(一次掃描一般需要幾分鐘)，在這個過程中光路耦合的不穩定將嚴重影響測量精度。第三， NSOM技術是針對納米尺度樣品開發的，其掃描測量范圍限制在百微米量級，超過這個范圍需要進行機械調節，位置精度將大幅降低，因此很難應用于毫米量級及更長波導的測量。

發明內容

為了克服現有技術存在的缺陷與不足，本發明提供一種在片上波導上的原位損耗測量裝置及方法，本發明在運用傳統散射式NSOM探針的基礎上，將 OFDR掃頻測量技術與之結合起來，引入自參考振幅分析和銀納米線輔助技術，實現了較高精度的傳輸損耗、插入損耗、反射損耗的原位測量，可以應用于復雜結構的片上光子回路。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案：