作者：見合八方王偉、劉凡

摘要

隨著近些年光子集成技術(shù)的飛速發(fā)展，光芯片設(shè)計(jì)及耦合封裝，均需要進(jìn)行對半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體光放大器和增益芯片等有源光芯片的光斑進(jìn)行測量，遠(yuǎn)場光斑特性（如光斑尺寸、垂直和水平發(fā)散角）是評估器件性能的核心指標(biāo)，通過對光斑特性的測量可以驗(yàn)證仿真結(jié)果、設(shè)計(jì)耦合方案、改進(jìn)芯片波導(dǎo)設(shè)計(jì)、改進(jìn)封裝工藝。

傳統(tǒng)的測試方法往往依賴復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)或昂貴的專用設(shè)備，操作繁瑣且成本高昂，而光斑測試系統(tǒng)使用頻次少，性價(jià)比低。

本文給出一種基于積分球光功率計(jì)及三軸自動滑臺的低成本簡易測試方法。通過逐點(diǎn)掃描光場光強(qiáng)分布，結(jié)合高斯擬合算法，快速獲取光斑尺寸及垂直/水平發(fā)散角，該方案無需昂貴復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，降低了遠(yuǎn)場光斑測試門檻，適用于激光芯片研發(fā)驗(yàn)證、光子集成設(shè)計(jì)等應(yīng)用，助力光芯片的性能提升與工藝優(yōu)化。

關(guān)鍵詞

半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體光放大器SOA、增益芯片、光子集成、遠(yuǎn)場光斑、發(fā)散角

1. 光斑評價(jià)參數(shù)定義

1.1 光斑

1.2光斑直徑

光束直徑的常用兩種定義如下：

1.半高全寬（FWHM），光束橫截面上光強(qiáng)降至峰值光強(qiáng) 50% 處的兩點(diǎn)間距離，以峰值光強(qiáng)點(diǎn)為中心對稱測量。對于理想高斯光束，該寬度范圍內(nèi)包含約76%的總光功率。

2.1/e2光束直徑，光強(qiáng)降至峰值光強(qiáng)1/e2（約13.5%）處的兩點(diǎn)間距離，通常采用機(jī)械式光束分析儀進(jìn)行測量。在高斯光束模型中，其直徑與 FWHM 存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系：1/e2光束直徑約為FWHM的1.7倍。

1.3高斯光束

高斯光束公式如下：

其中：

束腰ω0是最小截面處的半徑

瑞利長度ZR是束腰增加1.41倍的位置

半發(fā)散角θ表示遠(yuǎn)場發(fā)散度

遠(yuǎn)場定義為四倍瑞利長度之外的范圍（>4*Zr）

近場定義為四倍瑞利長度之內(nèi)的范圍（<4*Zr）

2.測試方案

2.1.測試方案

在無環(huán)境光干擾情況下，合適的遠(yuǎn)場位置，利用三軸手動或自動滑臺控制功率探頭位置，以獲取遠(yuǎn)場光場光功率分布，通過曲線擬合和計(jì)算可得光斑大小和垂直及水平發(fā)散角大小。

功率探頭應(yīng)大于理論光斑尺寸，以保證測試準(zhǔn)確性。

2.2.測試配置

1.光功率計(jì)

光探頭應(yīng)根據(jù)待測光芯片的波長范圍選擇對應(yīng)的波長范圍的光功率計(jì)。

本文測試實(shí)例中被測光芯片為我司1310 nm SOA光芯片，光功率計(jì)選擇的是Thorlabs的積分球S145C。

2.滑臺

可以使用XZ兩軸滑臺，滑臺行程應(yīng)保證>光斑的大小。

本文測試實(shí)例選擇的是大行程XYZ三軸手動滑臺，本文采用的行程是120mm(Z) * 80mm(X) * 50mm(Y)，可在京東或淘寶購買。也可以采用電動滑臺，可選用普通精度的電動滑臺，無需高精度定位的電動滑臺。

3.3 ?測試步驟?

根據(jù)芯片發(fā)散角以及光功率計(jì)積分球光敏面的大小選擇一個(gè)合適的遠(yuǎn)場位置L，L應(yīng)大于4倍瑞利距離，同時(shí)為保證一定的光斑輪廓分辨率，L的選擇應(yīng)確保光斑的垂直和水平直徑至少能>3-5倍光敏面大小，L也不能過遠(yuǎn)，以確保積分球能采集到一定強(qiáng)度的光功率。

1.?環(huán)境搭建?

o將光芯片固定到溫控臺上，

o取三軸滑臺，如上圖所示，將滑臺放置于激光出射側(cè)的合適位置。

o將光功率計(jì)/積分球固定于滑臺上，光敏面對準(zhǔn)激光出射方向。光敏面與激光器出射點(diǎn)保持合適距離L，本文測試實(shí)例選擇L=5cm。

o記錄光功率計(jì)/積分球，在激光器未開啟時(shí)，讀取的底噪光功率值，此數(shù)值為環(huán)境光噪聲。

o使用探針加電。

2.?光功率逐點(diǎn)掃描?

o三軸滑臺帶動探頭在XY平面內(nèi)逐點(diǎn)移動，積分球?qū)崟r(shí)采集每個(gè)位置的光功率值，形成二維光強(qiáng)分布矩陣。

o下圖示意了一個(gè)掃描路徑，實(shí)際可根據(jù)情況，將光場遍歷就可。

o遍歷步長：建議小于光敏面直徑，本文測試實(shí)例光敏面大小為12mm，因此移動步長設(shè)置為10mm左右，更小的的步長具有更好的測量準(zhǔn)確度和精度。

o遍歷范圍：優(yōu)選遍歷整個(gè)光斑范圍，如受限于滑臺行程，則確保遍歷半個(gè)以上光斑范圍就可以，其它部分后期可用軟件擬合來修補(bǔ)。本文實(shí)例就是通過軟件算法補(bǔ)足了整個(gè)廣場測試圖，詳見后面測試實(shí)例。

3.?高斯擬合與參數(shù)提取?

o記錄對應(yīng)各點(diǎn)采集的光功率數(shù)據(jù)（測量數(shù)據(jù)應(yīng)減去測試開始時(shí)記錄的光功率環(huán)境噪聲光功率），使用軟件算法按高斯光束進(jìn)行擬合，詳見附件的Python擬合代碼。根據(jù)擬合結(jié)果，計(jì)算遠(yuǎn)場光斑直徑，和遠(yuǎn)場發(fā)散角（θ⊥、θ∥）。

?3.測試實(shí)例?

3.1數(shù)據(jù)整理

?1、將測試結(jié)果記錄在Excel表中，如下圖所示，使用條件格式根據(jù)數(shù)值大小染色后，此時(shí)已可看出光斑輪廓。

3.2 軟件處理

根據(jù)前面高斯光束公式簡化定義二維高斯光束函數(shù)：

使用高斯擬合：

擬合后結(jié)果如下：

上圖左側(cè)為采集的光場數(shù)據(jù)，通過軟件擬合后，光斑被補(bǔ)充完整，并消除了測量誤差。最終測量結(jié)果為：

遠(yuǎn)場水平發(fā)散角θ∥：46.54°

遠(yuǎn)場垂直發(fā)散角θ⊥：50.11°

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審核編輯 黃宇