Измерение потерь мощности оптического излучения при распространении в волноводах ИОС

Интегрально-оптические схемы (ИОС) в настоящее время являются основой наиболее совершенных и малогабаритных устройств. Элементная база ИОС широкая и включает в себя разветвители, кольцевые резонаторы, линии задержки, модуляторы, адаптеры поля и др. В основе большинства элементов лежат оптические волноводы, обеспечивающие распространение оптического излучения с необходимыми характеристиками.

Материал, геометрические параметры волновода, показатель преломления среды определяют параметры мод и рабочий диапазон длин волн. Процесс формирования волновода зависит от большого количества факторов, вне зависимости от используемых методов. Одним из основных параметров, характеризующих волновод или элемент на его основе, является величина оптических потерь распространяющегося по нему оптического излучения.

Разработчики и производители ИОС неизменно стремятся уменьшить количество теряемой мощности и оптимизировать этапы изготовления структур интегрально-оптических схем. Вне зависимости от масштабов и количества производимых изделий для анализа параметров необходим мощный и универсальный инструмент. В настоящее время на рынке наиболее оптимальным решением является использование OFDR рефлектометров высокого разрешения. Представителем этого класса приборов является серия CLM от компании TemSens. Высокая чувствительность в -130 дБ и пространственное разрешение до 10 мкм позволяют оператору "заглянуть внутрь" волновода и точно оценить его характеристики.

Рис.1. OFDR рефлектометр высокого разрешения CLM-C+L от TemSens.

Пример легко реализуемой схемы анализа распределённых вносимых оптических потерь и результаты измерений, представленные в работе [1].

OFDR рефлектометры зачастую используются для определения точного положения событий отражений и дефектов в оптических волокнах. На рис. 2b представлены пики отражения от торцов чипа. Так как рефлектометр позволяет анализировать события отражения вдоль волновода чипа, имеется возможность проанализировать распределённые вносимые потери при распространении излучения по конкретному участку. Основным преимуществом этого метода является то, что не требуется принимать во внимание потери мощности при вводе света в чип. Таким образом результаты измерения отличаются высокой точностью и повторяемостью. На измеритель оптический мощности в этом случае попадает прошедшее излучение, что позволяет легко настроить положение линзированного волокна для более эффективного ввода в исследуемый волновод.

При анализе рефлектограммы необходимо учитывать тот факт, что излучение распространяется в обоих направлениях перед тем, как попасть в приёмный блок рефлектометра. Затухание α (дБ/см) рассчитывается на основе полученной аппроксимирующей кривой графика зависимости интенсивности отражённого излучения от положения в волноводе чипа. Для минимизации влияния отражения от торцов используется внутренняя часть графика (примеры на рис. 2). Диапазон перестройки встроенного автоматически калибруемого перестраиваемого источника в этом случае был выбран от 1540 до 1560 нм для максимального пространственного разрешения. Таким образом, рассчитывалось среднее значение затухания для используемого диапазона длин волн. Обе поляризации (TM и TE) были проанализированы и усреднены с помощью OFDR.

Рис. 2. a - принципиальная схема измерений с помощью OFDR;
b - пример полученной в ходе измерений рефлектограммы;
c - анализируемая часть рефлектограммы, соответствующая волноводу чипа;
d - фотография, демонстрирующая метод ввода/вывода излучения;
e - пример неподходящей для анализа рефлектограммы (отражение на уровне шума);
f - рефлектограмма короткого участка волновода;
e - пример слишком длинного волновода с высоким затуханием и ярко выраженными дефектами.

Длина участков, вычисляемая и отображаемая рефлектометром зависит от эффективного показателя преломления волновода, который может указать оператор. Обработку результатов можно облегчить, используя пики отражения от торцов и точные геометрические габариты чипа. Это также позволяет проводить грубую оценку потерь в пластинах, имеющих различные толщины волноводов, отличие значений которых вызвано несовершенством производственного процесса.

С целью проведения качественных измерений, максимально исключающих мощность детектируемого отраженного сигнала на уровне шума, необходимо обеспечить эффективный ввод оптического излучения в ИОС. Для этого мы рекомендуем использовать прецизионные системы позиционирования от компаний OMTOOLS и EV, разрабатывающие профессиональные решения для позиционирования оптических волокон и ИОС.

На фотографии в качестве примера представлены две системы: высокоточный многоосевой позиционер для центрирования волокна серии UFP-M от EV и и ручная станция стыковки волоконных выводов ФИС серии SSP-MA-100 от OMTOOLS.

Рис.3. Многоосевой позиционер для центрирования волокна (слева) и ручная станция стыковки волоконных выводов (справа).

В каталоге продукции на нашем сайте представлены следующие компоненты для проведения работ в области интегральной фотоники:

• OFDR рефлектометры высокого разрешения.
• Анализаторы оптических компонентов.
• Оптоволоконные позиционеры.
• Автоматизированные станции монтажа волоконных выводов.
• Источники суперконтинуума.
• Специальные оптические волокна.
• Пассивные волоконно-оптические компоненты.

Описание использования автоматических систем монтажа волоконных выводов и зондовых станций приведено в соответствующем решении на нашем сайте.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является официальным дистрибьютором представленных решений на территории России и ЕАЭС. Получить дополнительную информацию о продукции и решениях Вы можете, обратившись к специалистам нашей компании.

[1] Low loss Silicon Nitride Waveguides for Photonic Integrated Circuits. - Hugo Dupont - стр. 12 - 14. - École Polytechnique Fédérale de Lausanne - Март 2019