[发明专利]一种在片上波导上的原位损耗测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种在片上波导上的原位损耗测量装置及方法，该方法步骤包括：搭建在片上波导上的原位损耗测量装置，调节光路使激光端面耦合进入波导中，将抖动的探针放置到待测波导某位置的中心处；抖动的探针与片上波导中的导模倏逝场相互重叠后，产生调制信号光，调制信号光为第一信号光和第二信号光的叠加；扫频激光器扫频，提取锁相放大器的解调信号；对该位置的解调信号进行傅里叶分析，得出探针的位置和该位置的相对振幅，相对振幅为第一信号光和第二信号光振幅的比值；根据具体需要测量的损耗类型选择探针需要摆放的位置，根据每个位置分析得到的探针位置和对应的相对光强信息，计算相应的损耗。本发明保证对任意尺寸的波导和任意复杂度的片上光子回路进行损耗特性原位测量的可能性。

技术领域

本发明涉及片上光子回路性能测试技术领域，具体涉及一种在片上波导上的原位损耗测量装置及方法。

背景技术

随着微纳光子技术的进步，片上光子集成回路(Photonic Integrated Circuit，PIC)已经可以将数千个功能器件集成到一个芯片之中，从而实现低功耗的光通信、光传感、光测量、光计算功能。作为光子集成回路最基本的组成部分，片上微纳波导担负着连通各个光学器件的基础性功能，它的损耗特性将直接决定整个光子回路的性能。因此，精确可靠的波导损耗测量对于推动片上光子集成技术发展具有至关重要的作用。这里的损耗既包括了波导的传输损耗，也包含了波导中器件的插入损耗以及回波损耗。随着片上光子集成回路的规模增大，以及对以“模分复用”技术为代表的的多种复用技术的广泛应用研究，单独对其中一段波导或者单个器件的损耗特性进行“原位测量”成为了新的关键性的需求，也是当前测试技术尚未解决的重大课题。

现有的片上波导损耗测量方法主要包括两类。一类是“黑盒子”方法，主要包括截断法、法布里珀罗腔频谱分析法和环形腔频谱分析法。这类方法虽然可以对单根波导的损耗进行较为精确的测量，但是存在一些影响测量结果的人为因素(比如波导输入/输出耦合效率未知、波导两端反射率易受影响等)。而且，这类测量无法区分光子回路中某一段波导的损耗，不能实现“原位测量”。另一类损耗测量方法是通过收集和分辨波导沿线由自身缺陷产生的微弱散射光来实现的，包括远场直接成像方法和光频域反射法(OpticalFrequency-Domain Reflectometry，OFDR)。对于分辨传输损耗的构成来说，这类方法一定程度上打破了“黑盒子”方法的限制。但是，它们仍然存在空间分辨率不足和测量维度受限的问题，在灵活性方面仍然与“原位测量”的要求有较大差距，特别是无法应用于岔路结构较多的波导回路以及使用偏振/模式复用的情况。

想要对片上光子回路进行严格意义的“原位测量”，一个可以灵活部署的光学探针是关键性的工具。目前出现的十微米至百微米尺寸的非侵入性探针可以帮助人们对光子回路的局部区域进行光路测试。不过，由于这类由光纤头、光栅、电容器做成的探针空间尺寸较大、精确度较低，它们只适用于定性的光路连通性测试，无法进行定量的损耗测量。相比之下，近场光学显微镜(Near-field Scanning Optical Microscope，NSOM)探针具有极高的空间分辨率(小于100nm)，是进行精确的原位损耗测量的潜在方案。但是在实际应用中，现有的NSOM技术还存在一些关键性的问题。第一，无论是有孔式还是散射式NSOM技术，它们的光路都比较昂贵复杂。第二，NSOM的探针扫描速度太慢(一次扫描一般需要几分钟)，在这个过程中光路耦合的不稳定将严重影响测量精度。第三， NSOM技术是针对纳米尺度样品开发的，其扫描测量范围限制在百微米量级，超过这个范围需要进行机械调节，位置精度将大幅降低，因此很难应用于毫米量级及更长波导的测量。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种在片上波导上的原位损耗测量装置及方法，本发明在运用传统散射式NSOM探针的基础上，将 OFDR扫频测量技术与之结合起来，引入自参考振幅分析和银纳米线辅助技术，实现了较高精度的传输损耗、插入损耗、反射损耗的原位测量，可以应用于复杂结构的片上光子回路。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：