DIN 58002-2001 Integrated optics - Near-field-measurement for single-mode optical chip components《集成光路 单模式光学芯片元件的近场测量》.pdf

1、 DEUTSCHE NORM58002DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise,nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinICS 31.260Integrated optics Near-field-measureme

2、nt for single-mode optical chip componentsOptique intgre Mesure champ proche pour composants optique chips simple modeVorwortDiese Norm wurde vom Arbeitsausschuss Integrierte Optik“ im NormenausschussFeinmechanik und Optik (NAFuO) erarbeitet.Anhang A ist informativ.EntwurfDezember 2001Fortsetzung Se

3、ite 2 bis 10Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO) im DIN Deutsches Institut fr Normung e.V.Integrierte OptikNahfeldmessverfahren fr einmodigeoptische ChipkomponentenRef. Nr. DIN 58002:2001-12Preisgr. 08 Vertr.-Nr. 0008DIN 58002:2001-122EinleitungFr viele verschiedene technische Funktionen w

4、erden bereits seit einiger Zeit integriert-optische Bauelementeeingesetzt. Vielfach ist fr das Verstndnis ihrer Wirkungsweise und ihrer Anwendung z. B. bei der Kopplungmit anderen optischen Bauelementen eine genaue Kenntnis und Beschreibung der optischen Ausbreitungs-parameter erforderlich.1 Anwendu

5、ngsbereichDiese Norm legt Prfverfahren zur vergleichbaren Charakterisierung des Modenfeldes an den optischenSchnittstellen von einmodigen, integriert-optischen Bauelementen fest (siehe ISO 11807-1).Der Anwendungsbereich umfasst alle fr die optische Nachrichten- und Messtechnik eingesetzten integrier

6、t-optischen Chips, die einmodige wellenfhrende Strukturen enthalten.ANMERKUNG 1 Diese knnen rein passive Funktionen aufweisen, aber auch eine Kombination verschiedener Funktionen,wie passive Funktionen und aktiv Licht emittierende oder verstrkende Elemente enthalten.ANMERKUNG 2 Im Rahmen der angestr

7、ebten mglichst praxisnahen Gestaltung der Verfahren wurden pragmatischeLsungen angestrebt, die fr die Vergleichbarkeit der Werte untereinander und insbesondere fr die Bewertung vonKoppeleffizienzen zu anderen Bauteilen ausreichend genaue Nherungen beinhalten.2 Normative VerweisungenDiese Norm enthlt

8、 durch datierte oder undatierte Verweisungen Festlegungen aus anderen Publikationen.Diese normativen Verweisungen sind an den jeweiligen Stellen im Text zitiert, und die Publikationen sind nach-stehend aufgefhrt. Bei datierten Verweisungen gehren sptere nderungen oder berarbeitungen nur zudieser Nor

9、m, falls sie durch nderung oder berarbeitung eingearbeitet sind. Bei undatierten Verweisungengilt die letzte Ausgabe der in Bezug genommenen Publikation (einschlielich nderungen).DIN EN ISO 13694,Optik und optische Instrumente Laser und Laseranlagen Prfverfahren fr die Leis-tungs-(Energie-)dichtever

10、teilung von Laserstrahlen (ISO 13694:2000); Deutsche Fassung EN ISO 13694:2000.ISO 11807-1,Integrated optics Vocabulary Part 1: Basic terms and symbols.ISO 11807-2,Integrated optics Vocabulary Part 2: Terms used classification.ISO 14881:2001,Integrated optics Interfaces Parameters relevant to coupli

11、ng properties.3 Begriffe und Symbole3.1 BegriffeFr die Anwendung dieser Norm gelten folgende Begriffe:3.1.1Signaldigitale oder analoge Darstellung einer Information3.1.2Signal-Rausch-VerhltnisSNRmittlerer Pegel des Signals im Verhltnis zum mittleren Pegel des Rauschens3.1.3Empfngersystemmesstechnisc

12、hes System, bestehend aus einem opto-elektrischen Wandler, gegebenenfalls elektrischerNachverarbeitung und gegebenenfalls Signalaufbereitung zur Korrektur3.1.4Oberflche des optischen BauteilsEbene, die durch die Koordinaten yund zaufgespannt wirdDIN 58002:2001-1233.1.5GrundmodeTe00oder Tm00Eigenfunk

13、tion der Maxwellgleichungen, welche ein elektromagnetisches Feld in einem bestimmten Raumbeschreibt und zu einer Familie von unabhngigen Lsungen gehrt, die durch entsprechende Randbedingungendefiniert sindANMERKUNG Jede Mode ist durch seine Ordnung in vertikaler und horizontaler Richtung sowie die P

14、olarisation gekenn-zeichnet. Hinsichtlich der Polarisation werden TE- und TM-Moden unterschieden. Die Modenordnung wird durchIndizierung angegeben: TEijbzw. TMij, wobei der erste Index idie horizontale Ordnung und der zweite Index jdie vertikaleOrdnung angibt.3.2 SymboleTabelle 1Symbol Benennung ode

15、r ErluterungIG(x), IG(y)anzupassende, eindimensionale Intensittsverteilung in x- bzw. y-Richtung:Ux, UyIntensitt des Untergrunds der anzupassenden, eindimensionalen Intensitts-verteilungen IG(x),IG(y)wx, wyFleckgren der anzupassenden, zweidimensionalen Intensittsverteilung in x- und y-Richtung sowie

16、 Fleckgren des zu vermessenden Nahfeldesx0, y0Koordinaten des Maximums I0der anzupassenden, zweidimensionalen IntensittsverteilungI0Maximum der anzupassenden, zweidimensionalen Intensittsverteilung IG(x, y)I0xMaximum der anzupassenden, eindimensionalen Intensittsverteilung IG(x)I0yMaximum der anzupa

17、ssenden, eindimensionalen Intensittsverteilung IG(y)I(x, y)ortsabhngige Intensittsverteilung des abgebildeten Nahfeldes des zu untersuchenden WellenleitersImaxMaximum der gemessenen, zweidimensionalen Intensittsverteilung I(x, y)Imax(x)Maximum der integrierten, eindimensionalen Intensittsverteilung

18、I(x)Imax(y)Maximum der integrierten, eindimensionalen Intensittsverteilung I(y)IUG(x), IUG(y)niedrigster Intensittswert, welcher bei der Berechnung der Fleckgren bercksichtigt wird, wobei idie Messwerte der auszuwertenden Verteilung darstellen:IG(x, y)anzupassende, zweidimensionale Intensittsverteil

19、ungIGx() IGxy,()dy UxI0xe2xx0()2w2x-,+= =IGy() IGxy,()dx UyI0ye2yy0()2w2y-+= =IUGx()Ii min=()Ii max=()+2- 0,1 Imaxx()Ii min=()Ii max=()+2-+=DIN 58002:2001-1244 Prfverfahren4.1 PrinzipFr die Bestimmung der Fleckgren wxund wydes zu untersuchenden Wellenleiters wird das Nahfeld-Mess-verfahren angewende

20、t. Bei dieser wird die aus dem Wellenleiter austretende Intensittsverteilung P(x, y) desNahfeldes ber eine Optik auf eine Bildebene im Abstand z vergrert abgebildet. Die Koordinaten x, y sindnach ISO 11807-1 zu whlen. In dieser Bildebene wird die Intensittsverteilung I(x, y) ortsaufgelst detektiert.

21、Mit dem Vergrerungsmastab m der optischen Anordnung kann die Lichtverteilung P(x, y) des Wellenleitersberechnet werden (siehe Bild 1).4.2 Messaufbau4.2.1 AllgemeinesDer Messaufbau besteht aus einer Lichtquelle, die zur Anregung des integriert-optischen Chips verwendetwird, einem Abbildungssystem (vo

22、rzugsweise einem Mikroskopobjektiv) und einem Empfngersystem.4.2.2 Mechanischer AufbauDas gesamte Messsystem muss so aufgebaut sein, dass alle Komponenten gemeinsam auf einer optischenAchse angeordnet sind.4.2.3 Lichtquelle und LichteinkopplungDie Intensitt der Lichtquelle muss so gewhlt werden, das

23、s die volle Dynamik des Kamerasystems nach 4.2.5genutzt wird.Falls optische Abschwcher verwendet werden, mssen diese die Anforderungen nach 4.2.4 erfllen.ANMERKUNG Es knnen auch lichterzeugende Elemente auf dem integriert optischen Chip als Lichtquelle zur Messungverwendet werden.Bei der Vermessung

24、von passiven optischen Komponenten muss die Strahlfhrung zur Lichteinkopplung derartausgefhrt werden, dass ein Betriebszustand im Grundmode erreicht ist.l, Dl und sowie der Koppelanordnung mssen so gewhlt werden, dass die Einflsse durch Leckwellen,Streulicht oder abgestrahltem Licht unter 5% der max

25、imalen Intensitt Imaxliegen. Es mssen dieMittenwellenlnge l sowie die spektrale Bandbreite Dl der Lichtquelle bekannt sein.Tabelle 1 (fortgesetzt)Symbol Benennung oder Erluterungcx, cyKorrelationskoeffizienten der anzupassenden eindimensionalen Intensittsverteilungen I(x) und I(y) mit IG(x, y)mit un

26、dl0Mittenwellenlnge der bei der Messung verwendeten LichtquelleDl spektrale Bandbreite der bei der Messung verwendeten Lichtquelle, die Breite, bei der die Intensitt auf 50 % der Maximalintensitt abgefallen ist Winkel zwischen der Polarisationsebene der zur Messung verwendeten Lichtquelle und der Su

27、bstratoberflcheP(x, y) ortsabhngige Intensittsverteilung des Nahfeldes des zu untersuchenden WellenleitersUxyIntensitt des Untergrunds der anzupassenden, zweidimensionalen Intensitts-verteilung IG(x, y)cxIx()IGx() dx2Ix()dx IGx()dx-= cyIy() IGy() dy2Iy()dy IGy()dy-=Ix() I x, y()dy= Iy() I x, y()dx=D

28、IN 58002:2001-125Fallen die Hauptachsen der Feldverteilung der Wellenleiter nicht mit den Koordinatenachsen des Bauelementeszusammen, so muss der Winkel der Polarisation in Bezug auf die Oberflche des optischen Bauteils sowieder Polarisationsgrad festgestellt werden. Die Messung muss dann in den Hau

29、ptachsen der Feldverteilung desWellenleiters durchgefhrt werden. Als Polarisationsrichtung muss TE oder TM entsprechend der Festlegungin ISO 11807-1 verwendet werden.4.2.4 AbbildungsoptikDie numerische Apertur des Abbildungssystems muss mindestens 3-mal grer als die numerische Aperturdes Wellenleite

30、rs sein.ANMERKUNG Die Auswirkung einer zu kleinen Apertur ist im Anhang A beschrieben.Das Abbildungssystem mit bekanntem Vergrerungsmastab muss im zu vermessenden Wellenlngenbe-reich entspiegelt sein, um Reflexionen und Interferenzen zu vermeiden und auerdem fr den verwendetenWellenlngenbereich korr

31、igiert sein, um Aberration und somit eine verflschende Abbildung des Nahfeldes zuvermeiden.Das Objektiv muss aus den gleichen Grnden bezglich Gegenstandsweite und Vergrerung bestimmungs-gem eingesetzt werden.Die Vergrerung des Abbildungssystems muss so gewhlt werden, dass die laterale Ausdehnung des

32、Detektors mindestens der vierfachen Modenfeldweite w des Strahls in Richtung der grten Ausdehnungentspricht.4.2.5 EmpfngersystemDas Empfngersystem muss mindestens folgende Anforderungen erfllen:a) das Ausgangssignal des Empfngersystems muss unabhngig von Polarisation und Ort (Isotropie,Ortsinvarianz

33、) sein;b) die Nichtlinearitt der optischen Empfindlichkeit muss kleiner als 5% sein;c) die Schwankung der Empfindlichkeit darf innerhalb des Messfeldes 2% nicht berschreiten;d) Untergrundvariationen innerhalb des Messfeldes drfen nicht grer als 1% sein;Legende1 Abbildungssystem2 integriert-optischer

34、 Chip3 Empfngerebene mit 2D-Detektor oder sequentieller AbtastungBild 1 Schematischer Aufbau fr die MessungDIN 58002:2001-126e) das Signal-Rausch-Verhltnis zwischen dem hellsten Punkt des zu messenden Feldes und dem maximalenRauschpegel muss grer als 20 sein;f) die rumliche Auflsung in der Messebene

35、 muss so gro sein, dass jede Halbachse der optischen Inten-sittsverteilung mindestens durch 10 unabhngige Messwerte innerhalb der 1/e2-Fleckweite der Intensittreprsentiert wird;g) bei einer digitalen Auswertung muss die maximale Intensitt mindestens in 64 quidistanten Stufendigitalisiert sein.ANMERK

36、UNG 1 Die hier genannten Grenzen stellen sicher, dass die Abweichung von jedem einzelnen Beitrag fr sichauf das Messergebnis einen Fehlereinfluss kleiner 3% besitzt.ANMERKUNG 2 Als Empfngersystem ist ein parallel arbeitendes Aufnahmesystem z. B. eine Kamera (z. B. Vidicon,CCD) mit nachgeschaltetem B

37、ildspeichersystem mglich, bei dem die zweidimensionale Information zu einem Zeitpunktvollstndig erfasst wird. Weiterhin kann als Empfngersystem auch eine sequentielle, zweidimensionale Abtastung miteinem opto-elektrischen Empfnger und der entsprechenden Nachverarbeitung eingesetzt werden.Die Anforde

38、rungen an das Empfngersystem knnen auch durch Korrekturmanahmen (z. B. durch Kalibrie-rung oder Korrekturen bei der Auswertung) sichergestellt werden.4.3 DurchfhrungDie Messung darf erst durchgefhrt werden, wenn die Lichtquelle mit der Einkopplung, das Messobjekt sowiedas Empfngersystem einen zeitli

39、ch stabilen Betriebszustand erreicht haben, sodass die Anforderungen nach4.2.5 eingehalten werden.Die Umgebungsbedingungen (z. B. Streulicht und Fremdlicht) drfen die Anforderungen nach 4.2.5 nichtbeeinflussen.Vor Beginn der Messung ist die Fokussierung des optischen Systems zu prfen. Es ist Sorge z

40、u tragen, dassdie Messung weder durch mechanische Vibrationen noch durch thermische Einflsse beeintrchtigt wird. DieTemperatur des Bauteils muss festgestellt und protokolliert werden. Die Messung erfolgt durch Intensittsbe-stimmung in Abhngigkeit vom Ort I(x, y).5 Auswertung5.1 Beschreibung der Mode

41、nfeldverteilung durch Gau-Verteilungen5.1.1 Modell fr die BeschreibungDie gemessene Intensittsverteilung I(x, y) kann mit einer Gau-Verteilung erster Ordnung IG(x, y) beschriebenwerden:(1)Dabei ist:wxund wydie Fleckgre in x- und in y-Richtung;Uxyein zustzlicher Untergrund, der bei der Messung auftre

42、ten kann;I0die maximale Intensitt der Verteilung;x0und y0die Koordinaten des Maximums der Intensittsverteilung.Fr die Vereinfachung der Auswertung wird die gemessene Intensittsverteilung I(x, y) durch Integration inzwei orthogonale eindimensionale Verteilungen I(x) und I(y) aufgeteilt:(2)(3)An jede

43、dieser beiden Funktionen I(x) und I(y) wird eine Gau-Funktion IG(x) und IG(y) angepasst:(4)IGx, y()UxyI0e2xx0()2wx2-yy0()2wy2-+=Ix() I x, y()dy=Iy() I x, y()dx=IGx() IGx, y()dy UxI0xe2xx0()2wx2-+=DIN 58002:2001-127(5)Dabei ist:Ux, Uyein zustzlicher Untergrund, der bei der Messung auftreten kann;I0xu

44、nd I0ydie maximale Intensitt der Verteilung.Besitzt die Intensittsverteilung Rotationssymmetrie, dann gilt fr den Modenfeldradius:Die Anpassung des Untergrundes U bei der Ermittelung relevanter Gren ist unbedingt notwendig, da eineAbweichung von 1% (bezogen auf die maximale Signaldynamik) einen Fehl

45、er der Feldweiten von 3% bewirkt.5.1.2 Korrelationskoeffizienten cxund cyEine Angabe ber die Genauigkeit der bereinstimmung von den angepassten Funktionen IG(x) und IG(y) mitden integrierten Intensittsverteilungen I(x) und I(y) ist mit den Korrelationskoeffizienten cxund cymglich:(6)(7)ANMERKUNG Da

46、dieser Zusammenhang der Gleichungen (6) und (7) eine Faltung der Verteilungen darstellt, geben dieso bestimmten Korrelationskoeffizienten eine Voraussage fr den optischen Kopplungswirkungsgrad, der bei der Kopplungdes integriert-optischen Chips mit einem einmodigen Wellenleiter der Dimensionen wxund

47、 wyerwartet wird.5.2 Bestimmung der optischen Strahlparameter5.2.1 Festlegung des AuswertungsbereichesUm die Einflsse durch Variationen des Untergrundes zu unterdrcken, werden fr die Auswertung nurMesswerte verwendet, die hher als ein definierter Grenzwert IUGliegen.Aus den integrierten Messdaten I(x) und I(y) wird die Maximalintensitt Imax(fr x und y) sowie die IntensittenI(i = min) und I(i = max) am Anfang und am Ende des Auswertebereiches der Messreihe fr x bzw. y ermittelt.Die Grenzwerte IUG(x) b