專利名稱：光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝置及其方法。
技術(shù)背景光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔是諧振式微型光學(xué)陀螺的核心敏感部件，將一個(gè)定向耦 合器的其中一個(gè)輸出端口和一個(gè)輸入端口直接相連就構(gòu)成了一個(gè)最基本的環(huán)形 諧振腔結(jié)構(gòu)。在環(huán)形諧振腔中，常用清晰度來衡量其性能指標(biāo)，其定義為兩相 鄰諧振頻率間隔和諧振腔譜線半高寬度之比。清晰度由環(huán)形諧振腔的基本結(jié)構(gòu) 參數(shù)包括耦合器耦合系數(shù)和附加損耗及波導(dǎo)傳輸損耗共同決定。在以往的一些利用測試環(huán)形諧振腔的諧振曲線來獲取環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu) 參數(shù)的方法和裝置中，都沒有將這三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合器耦合系數(shù)、耦合 器附加損耗和波導(dǎo)傳輸損耗完全獨(dú)立計(jì)算出來， 一般都是根據(jù)已知或者單獨(dú)測 試其中任意一個(gè)參數(shù)再測試環(huán)形腔的諧振曲線來獲取其他兩個(gè)參數(shù)，這些測試 裝置復(fù)雜，計(jì)算精度低并且重復(fù)可操作性差。因此如何采用和設(shè)計(jì)合適的測試 ^"法及裝置，能夠無破壞性的直接獲取這三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，對環(huán)形諧振腔的 4一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提高具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝置及其 方法。光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝置中的鋸齒波信號發(fā)生器依次與激光器，光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片，PD探測器，示波器、計(jì)算機(jī)相連接。光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片是在同一個(gè)襯底上，定向耦合器與輸入波導(dǎo)、輸出 波導(dǎo)、光波導(dǎo)環(huán)形腔相連接，第一參考直波導(dǎo)、第二參考直波導(dǎo)、第三參考直 波導(dǎo)位于輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)上方，第一參考直波導(dǎo)與輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)相 距250微米，第二參考直波導(dǎo)與第一參考直波導(dǎo)相距250微米，第三參考直波 導(dǎo)與第二參考直波導(dǎo)相距250微米，第一帶狀光纖、第二帶狀光纖、第三帶狀 光纖、第四帶狀光纖通過第一帶狀光纖耦合器分別與輸入波導(dǎo)、第一參考直波 導(dǎo)、第二參考直波導(dǎo)、第三參考直波導(dǎo)相連接，輸出波導(dǎo)、第一參考直波導(dǎo)、 第二參考直波導(dǎo)、第三參考直波導(dǎo)通過第二帶狀光纖耦合器分別與第五帶狀光纖、第六帶狀光纖、第七帶狀光纖、第八帶狀光纖相連接。光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試方法包括如下步驟① 用鋸齒波信號發(fā)生器掃描激光器的輸出光頻率，將激光器連接第一帶狀 光纖，再將第五帶狀光纖連接PD探測器，PD探測器連接示波器，示波器連接 計(jì)算機(jī)，從計(jì)算機(jī)中對實(shí)驗(yàn)測試得到的光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的諧振曲線進(jìn)行洛侖 茲曲線擬和，最后計(jì)算得到最大輸出幅度P^、諧振深度p、自由譜寬FSR和半 高全寬FWHM。② 用鋸齒波信號發(fā)生器掃描激光器，將激光器的光輸入第二帶狀光纖，再 將第六帶狀光纖連接PD探測器，PD探測器連接示波器，，示波器連接計(jì)算機(jī)，從計(jì)算機(jī)中讀取參考直波導(dǎo)的最大輸出幅度p;J 。③ 用鋸齒波信號發(fā)生器掃描激光器，將激光器的光輸入第三帶狀光纖，再 將第七帶狀光纖連接PD探測器，PD探測器連接示波器，，示波器連接計(jì)算機(jī)， 從計(jì)算機(jī)中讀取參考直波導(dǎo)的最大輸出幅度^J。④ 用鋸齒波信號發(fā)生器掃描激光器，將激光器的光輸入第四帶狀光纖，再 將第八帶狀光纖連接PD探測器，PD探測器連接示波器，示波器連接計(jì)算機(jī)，從計(jì)算機(jī)中讀取參考直波導(dǎo)的最大輸出幅度Lmax 3⑤ 將第二、三、四步得到的、^'、 、^'和J進(jìn)行平均計(jì)算，得到直波導(dǎo) 的最大輸出幅度平均值乙J⑥ 將上面五步得到的參數(shù)帶入下式方程計(jì)算得到光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的基本 結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中耦合器附加損耗otc和諧振腔波導(dǎo)單位傳輸損耗(XL，單位為dB， 耦合器耦合系數(shù)k為十進(jìn)制小數(shù)。 <formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 6</formula>
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果本發(fā)明通過引入和環(huán)形諧振腔光波導(dǎo)完全一致的參考直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過光 纖耦合器后通過同時(shí)測試光波導(dǎo)環(huán)形腔的諧振曲線和參考直波導(dǎo)的平均輸出幅 度，能夠無破壞性的直接獲取描述光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔特性的三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù): 耦合器耦合系數(shù)、耦合器附加損耗和波導(dǎo)傳輸損耗。而以往利用環(huán)形諧振腔測 試諧振曲線獲取其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，都沒有將這三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)完全獨(dú) 立計(jì)算出來，并且測試裝置復(fù)雜，計(jì)算精度低以及重復(fù)可操作性差。本發(fā)明提 供了一種無破壞性的簡單直接的能完全獲取光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參 數(shù)的一種有效的測試方法。本發(fā)明的實(shí)施可為進(jìn)一步開展高性能光波導(dǎo)諧振腔 的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)避免交叉波導(dǎo)帶 來的影響，對于提高諧振式微型光學(xué)陀螺的極限靈敏度、改善性能也是非常重 要的。


圖1是光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝置； 圖2是光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片的基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔諧振曲線及直波導(dǎo)平均輸出幅度示意圖； 圖中鋸齒波信號發(fā)生器l、激光器2、光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片3、 PD探測 器4、示波器5、計(jì)算機(jī)6、輸入波導(dǎo)7、輸出波導(dǎo)8、定向耦合器9、光波導(dǎo)環(huán) 形腔10、第一參考直波導(dǎo)11、第二參考直波導(dǎo)12、第三參考直波導(dǎo)13、第一 帶狀光纖耦合器14、第二帶狀光纖耦合器15、第一帶狀光纖16、第二帶狀光纖 17、第三帶狀光纖18、第四帶狀光纖19、第五帶狀光纖20、第六帶狀光纖21、 第七帶狀光纖22、第八帶狀光纖23。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明通過測試光波導(dǎo)環(huán)形腔的諧振曲線和三個(gè)參考直波導(dǎo)的平均輸出幅 度，從而將光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)包括耦合器耦合系數(shù)和附加 損耗以及波導(dǎo)傳輸損耗完全獨(dú)立的計(jì)算出來。采用三個(gè)參考直波導(dǎo)的主要原因 是利用帶狀光纖的對準(zhǔn)特性減小測試誤差，提高測試光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié) 構(gòu)參數(shù)的精度。根據(jù)光波在環(huán)形諧振腔傳輸后輸出的諧振曲線得到的三個(gè)參數(shù):諧振深度p、諧振腔自由譜線寬度FSR和諧振腔譜線半高全寬FWHM的定義，利 用多光束干涉疊加法得到光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的光強(qiáng)傳遞函數(shù)表達(dá)式，以及設(shè)計(jì) 三個(gè)參考直波導(dǎo)獲取相同情況下測試系統(tǒng)的平均輸出幅度，從而得到光波導(dǎo)環(huán) 形諧振腔的三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體表達(dá)式。如圖1所示，光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝置中的鋸齒波信號 發(fā)生器1依次與激光器2、光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片3、 PD探測器4、示波器5、 計(jì)算機(jī)6相連接。如圖2所示，光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片3是在同一個(gè)襯底上，定向耦合器9 與輸入波導(dǎo)7、輸出波導(dǎo)8、光波導(dǎo)環(huán)形腔10相連接，第一參考直波導(dǎo)ll、第 二參考直波導(dǎo)12、第三參考直波導(dǎo)13位于輸入波導(dǎo)6、輸出波導(dǎo)7上方，第一 參考直波導(dǎo)11與輸入波導(dǎo)6、輸出波導(dǎo)7相距250微米，第二參考直波導(dǎo)12與 第一參考直波導(dǎo)11相距250微米，第三參考直波導(dǎo)13與第二參考直波導(dǎo)12相 距250微米，第一帶狀光纖16、第二帶狀光纖17、第三帶狀光纖18、第四帶狀 光纖19通過第一帶狀光纖耦合器14分別與輸入波導(dǎo)7、第一參考直波導(dǎo)11、 第二參考直波導(dǎo)12、第三參考直波導(dǎo)13相連接，輸出波導(dǎo)8、第一參考直波導(dǎo) 11、第二參考直波導(dǎo)12、第三參考直波導(dǎo)13通過第二帶狀光纖耦合器15分別 與第五帶狀光纖20、第六帶狀光纖21、第七帶狀光纖22、第八帶狀光纖23相 連接。光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試方法包括如下步驟 ①用鋸齒波信號發(fā)生器1掃描激光器2的輸出光頻率，將激光器2連接第 一帶狀光纖16，再將第五帶狀光纖20連接PD探測器4， PD探測器4連接示波 器5，示波器5連接計(jì)算機(jī)6，從計(jì)算機(jī)6中對實(shí)驗(yàn)測試得到的光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的諧振曲線進(jìn)行洛侖茲曲線擬和，最后計(jì)算得到最大輸出幅度P^、諧振深度 p、自由譜寬FSR和半高全寬FWHM。首先利用多光束干涉疊加的方法得到環(huán)形諧振腔的輸出光強(qiáng)傳遞函數(shù)表達(dá)式<formula>formula see original document page 8</formula>(i)其中V和T可表示如下<formula>formula see original document page 8</formula> (2)<formula>formula see original document page 8</formula> (3)式中k 、 ac和od分別表示為環(huán)形諧振腔耦合器的耦合系數(shù)、耦合器附加損耗和 光波導(dǎo)單位傳輸損耗，(3為光波傳播常數(shù)，L為諧振腔總長度。根據(jù)定義，諧振 曲線的諧振深度p可表示為式中R皿和R,分別為環(huán)形諧振腔輸出光強(qiáng)傳遞函數(shù)的最大值和最小值。禾擁(1)式可得諧振深度p，具體表達(dá)式為 一鳴鳴再根據(jù)環(huán)形諧振腔清晰度F的定義，我們可以得到下式<formula>formula see original document page 8</formula> (6)<formula>formula see original document page 8</formula>式中FSR為環(huán)形諧振腔自由譜線寬度，F(xiàn)WHM為環(huán)形諧振腔譜線半高全寬，如圖 3所示。聯(lián)立(5)和(6)式，可以計(jì)算得到7和r的表達(dá)式<formula>formula see original document page 8</formula>其中參數(shù)a和b表示如下:<formula>formula see original document page 9</formula>利用方程組(8)，進(jìn)一步計(jì)算可得-l一62<formula>formula see original document page 9</formula>然后根據(jù)圖1所示的裝置在測試光波導(dǎo)環(huán)形腔諧振曲線時(shí)，根據(jù)激光器輸出功率，經(jīng)過光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔后，由PD探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化后經(jīng)示波器在計(jì) 算機(jī)上觀察其諧振曲線，此時(shí)諧振曲線的最大輸出幅度7_可表示為 / 、("吖<formula>formula see original document page 9</formula>式中戶, 為激光器輸出光功率，s為光電探測器的光電響應(yīng)度，M為系統(tǒng)噪聲系②用鋸齒波信號發(fā)生器1掃描激光器2，將激光器2的光輸入第二帶狀光纖 17，再將第六帶狀光纖21連接PD探測器4， PD探測器4連接示波器5，示波 器5連接計(jì)算機(jī)6，從計(jì)算機(jī)6中讀取參考直波導(dǎo)的最大輸出幅度^^'。(D用鋸齒波信號發(fā)生器1掃描激光器2，將激光器2的光輸入第三帶狀光纖 18，再將第七帶狀光纖22連接PD探測器4， PD探測器4連接示波器5，，示波 器5連接計(jì)算機(jī)6，從計(jì)算機(jī)6中讀取參考直波導(dǎo)的最大輸出幅度^^'。④ 用鋸齒波信號發(fā)生器1掃描激光器2，將激光器2的光輸入第四帶狀光纖 19，再將第八帶狀光纖23連接PD探測器4， PD探測器4連接示波器5，示波 器5連接計(jì)算機(jī)6,從計(jì)算機(jī)6中讀取參考直波導(dǎo)的最大輸出幅度、J 。⑤ 將第二、三、四步得到的、J、 、》2'和、欲3'進(jìn)行平均計(jì)算，得到所有參考直波導(dǎo)的最大輸出平均值匚/ 。<formula>formula see original document page 10</formula>(11)在光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片上同時(shí)設(shè)計(jì)三個(gè)與諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)完全相同的平行直波導(dǎo)作為參考直波導(dǎo)，如圖2中第一參考直波導(dǎo)11、第二參考直波導(dǎo)12和 第三參考直波導(dǎo)13。并采用如圖2所示的第一光纖耦合器14和第二光纖耦合器 15將參考直波導(dǎo)和帶狀光纖連接起來。在測試光波導(dǎo)環(huán)形腔的諧振曲線后檢測 三個(gè)參考直波導(dǎo)的平均輸出幅度，如圖3所示，可表示為-r讓《S.M 結(jié)合(10)和(12)式，可以得到-<formula>formula see original document page 10</formula>⑥將上面五步得到的描述諧振曲線特性的三個(gè)參數(shù)諧振深度p、諧振腔自由譜線寬度FSR和諧振腔譜線半高全寬F冊M，以及測試諧振曲線輸出幅度最大 值j^和參考直波導(dǎo)的平均輸出幅度^:，帶入下式方程計(jì)算得到光波導(dǎo)環(huán)形諧 振腔的三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中耦合器附加損耗occ和諧振腔波導(dǎo)單位傳輸損耗 oll，單位為dB，耦合器耦合系數(shù)k為十進(jìn)制小數(shù)。<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 11</formula>
權(quán)利要求
1.一種光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝置，其特征在于鋸齒波信號發(fā)生器(1)依次與激光器(2)、光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片(3)、PD探測器(4)、示波器(5)、計(jì)算機(jī)(6)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝 置，其特征在于所述的光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片(3)是在同一個(gè)襯底上，定向耦 合器(9)與輸入波導(dǎo)(7)、輸出波導(dǎo)(8)、光波導(dǎo)環(huán)形腔(10)相連接，第一 參考直波導(dǎo)(11)、第二參考直波導(dǎo)(12)、第三參考直波導(dǎo)(13)位于輸入波 導(dǎo)(6)、輸出波導(dǎo)(7)上方，第一參考直波導(dǎo)(11)與輸入波導(dǎo)(6)、輸出波 導(dǎo)(7)相距250微米，第二參考直波導(dǎo)(12)與第一參考直波導(dǎo)(11)相距250 微米，第三參考直波導(dǎo)(13)與第二參考直波導(dǎo)(12)相距250微米，第一帶 狀光纖(16)、第二帶狀光纖(17)、第三帶狀光纖(18)、第四帶狀光纖(19) 通過第一帶狀光纖耦合器(14)分別與輸入波導(dǎo)(7)、第一參考直波導(dǎo)(11)、 第二參考直波導(dǎo)(12)、第三參考直波導(dǎo)(13)相連接，輸出波導(dǎo)(8)、第一參 考直波導(dǎo)(11)、第二參考直波導(dǎo)(12)、第三參考直波導(dǎo)(13)通過第二帶狀 光纖耦合器(15)分別與第五帶狀光纖(20)、第六帶狀光纖(21)、第七帶狀 光纖(22)、第八帶狀光纖(23)相連接。
3.—種使用權(quán)利要求1所述裝置的光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試 方法，其特征在于包括如下步驟① 用鋸齒波信號發(fā)生器(1)掃描激光器(2)的輸出光頻率，將激光器(2) 連接第一帶狀光纖(16)，再將第五帶狀光纖(20)連接PD探測器(4)， PD探 測器(4)連接示波器(5)，示波器(5)連接計(jì)算機(jī)(6)，從計(jì)算機(jī)(6)中對 實(shí)驗(yàn)測試得到的光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的諧振曲線進(jìn)行洛侖茲曲線擬和，最后計(jì)算 得到最大輸出幅度^^、諧振深度p、自由譜寬FSR和半高全寬FWHM。② 用鋸齒波信號發(fā)生器(1)掃描激光器(2)，將激光器(2)的光輸入第 二帶狀光纖(17)，再將第六帶狀光纖(21)連接PD探測器(4)， PD探測器(4) 連接示波器(5)，示波器(5)連接計(jì)算機(jī)(6)，從計(jì)算機(jī)(6)中讀取參考直 波導(dǎo)的最大輸出幅度、J。③ 用鋸齒波信號發(fā)生器(1)掃描激光器(2)，將激光器(2)的光輸入第 三帶狀光纖(18)，再將第七帶狀光纖(22)連接PD探測器(4), PD探測器(4) 連接示波器(5)，示波器(5)連接計(jì)算機(jī)(6)，從計(jì)算機(jī)(6)中讀取參考直波導(dǎo)的最大輸出幅度乙^'。④ 用鋸齒波信號發(fā)生器(1)掃描激光器(2)，將激光器(2)的光輸入第 四帶狀光纖(19)，再將第八帶狀光纖(23)連接PD探測器(4)， PD探測器(4) 連接示波器(5)，示波器(5)連接計(jì)算機(jī)(6)，從計(jì)算機(jī)(6)中讀取參考直 波導(dǎo)的最大輸出幅度、J。⑤ 將第二、三、四步得到的^J、 、^'和已^'進(jìn)行平均計(jì)算，得到所有參 考直波導(dǎo)的最大輸出幅度平均值K^'。⑥ 將上面五步得到的參數(shù)帶入下式方程計(jì)算得到光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的基本 結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中耦合器附加損耗occ和諧振腔光波導(dǎo)單位傳輸損耗ocL，單位為dB， 耦合器耦合系數(shù)k為十進(jìn)制小數(shù)。<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試裝置及其方法。在光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片上設(shè)計(jì)三個(gè)相同結(jié)構(gòu)的參考直波導(dǎo)，經(jīng)光纖耦合器耦合后通過測試環(huán)形腔的諧振曲線和參考直波導(dǎo)的平均輸出幅度，得到光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔全部結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體值，包括耦合器耦合系數(shù)和附加損耗以及波導(dǎo)傳輸損耗。獲取光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的裝置鋸齒波信號發(fā)生器依次與激光器、光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔芯片、PD探測器、示波器、計(jì)算機(jī)相連接。本發(fā)明可以無破壞性的簡單直接的完全獲取光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔三個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)高性能光波導(dǎo)環(huán)形腔提供指導(dǎo)，同時(shí)對于提高諧振式微型光學(xué)陀螺的極限靈敏度、改善性能具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G01M11/00GK101216369SQ200810059429
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者王世軍, 金仲和, 馬慧蓮 申請人:浙江大學(xué)