一种简易测试半导体激光器远场光斑的方法‌

作者：见合八方王伟、刘凡

摘要

随着近些年光子集成技术的飞速发展，光芯片设计及耦合封装，均需要进行对半导体激光器、半导体光放大器和增益芯片等有源光芯片的光斑进行测量，远场光斑特性（如光斑尺寸、垂直和水平发散角）是评估器件性能的核心指标，通过对光斑特性的测量可以验证仿真结果、设计耦合方案、改进芯片波导设计、改进封装工艺。

传统的测试方法往往依赖复杂的光学系统或昂贵的专用设备，操作繁琐且成本高昂，而光斑测试系统使用频次少，性价比低。

本文给出一种基于积分球光功率计及三轴自动滑台的低成本简易测试方法。通过逐点扫描光场光强分布，结合高斯拟合算法，快速获取光斑尺寸及垂直/水平发散角，该方案无需昂贵复杂光学系统，降低了远场光斑测试门槛，适用于激光芯片研发验证、光子集成设计等应用，助力光芯片的性能提升与工艺优化。

关键词

半导体激光器、半导体光放大器SOA、增益芯片、光子集成、远场光斑、发散角

1. 光斑评价参数定义

1.1 光斑

 

1.2光斑直径

 

 

光束直径的常用两种定义如下：

1.半高全宽（FWHM），光束横截面上光强降至峰值光强 50% 处的两点间距离，以峰值光强点为中心对称测量。对于理想高斯光束，该宽度范围内包含约76%的总光功率。

2.1/e2光束直径，光强降至峰值光强1/e2（约13.5%）处的两点间距离，通常采用机械式光束分析仪进行测量。在高斯光束模型中，其直径与 FWHM 存在确定的数学关系：1/e2光束直径约为FWHM的1.7倍。

1.3高斯光束

高斯光束公式如下：

 

其中：

束腰ω0是最小截面处的半径

瑞利长度ZR是束腰增加1.41倍的位置

半发散角θ表示远场发散度

远场定义为四倍瑞利长度之外的范围（>4*Zr）

近场定义为四倍瑞利长度之内的范围（<4*Zr）

 

 

2.测试方案

2.1.测试方案

 

在无环境光干扰情况下，合适的远场位置，利用三轴手动或自动滑台控制功率探头位置，以获取远场光场光功率分布，通过曲线拟合和计算可得光斑大小和垂直及水平发散角大小。

功率探头应大于理论光斑尺寸，以保证测试准确性。

2.2.测试配置

1.光功率计

光探头应根据待测光芯片的波长范围选择对应的波长范围的光功率计。

本文测试实例中被测光芯片为我司1310 nm SOA光芯片，光功率计选择的是Thorlabs的积分球S145C。

 

2.滑台

可以使用XZ两轴滑台，滑台行程应保证>光斑的大小。

本文测试实例选择的是大行程XYZ三轴手动滑台，本文采用的行程是120mm(Z) * 80mm(X) * 50mm(Y)，可在京东或淘宝购买。也可以采用电动滑台，可选用普通精度的电动滑台，无需高精度定位的电动滑台。

 

3.3 ‌测试步骤‌

根据芯片发散角以及光功率计积分球光敏面的大小选择一个合适的远场位置L，L应大于4倍瑞利距离，同时为保证一定的光斑轮廓分辨率，L的选择应确保光斑的垂直和水平直径至少能>3-5倍光敏面大小，L也不能过远，以确保积分球能采集到一定强度的光功率。

1.‌环境搭建‌

o将光芯片固定到温控台上，

o取三轴滑台，如上图所示，将滑台放置于激光出射侧的合适位置。

o将光功率计/积分球固定于滑台上，光敏面对准激光出射方向。光敏面与激光器出射点保持合适距离L，本文测试实例选择L=5cm。

o记录光功率计/积分球，在激光器未开启时，读取的底噪光功率值，此数值为环境光噪声。

o使用探针加电。

2.‌光功率逐点扫描‌

o三轴滑台带动探头在XY平面内逐点移动，积分球实时采集每个位置的光功率值，形成二维光强分布矩阵。

o下图示意了一个扫描路径，实际可根据情况，将光场遍历就可。

o遍历步长：建议小于光敏面直径，本文测试实例光敏面大小为12mm，因此移动步长设置为10mm左右，更小的的步长具有更好的测量准确度和精度。

o遍历范围：优选遍历整个光斑范围，如受限于滑台行程，则确保遍历半个以上光斑范围就可以，其它部分后期可用软件拟合来修补。本文实例就是通过软件算法补足了整个广场测试图，详见后面测试实例。

 

3.‌高斯拟合与参数提取‌

o记录对应各点采集的光功率数据（测量数据应减去测试开始时记录的光功率环境噪声光功率），使用软件算法按高斯光束进行拟合，详见附件的Python拟合代码。根据拟合结果，计算远场光斑直径，和远场发散角（θ⊥、θ∥）。

‌3.测试实例‌

3.1数据整理

‌1、将测试结果记录在Excel表中，如下图所示，使用条件格式根据数值大小染色后，此时已可看出光斑轮廓。

 

3.2 软件处理

根据前面高斯光束公式简化定义二维高斯光束函数：

 

使用高斯拟合：

 

拟合后结果如下：

 

上图左侧为采集的光场数据，通过软件拟合后，光斑被补充完整，并消除了测量误差。最终测量结果为：

远场水平发散角θ∥：46.54°

远场垂直发散角θ⊥：50.11°

‌【技术咨询与设备支持‌】

欢迎联系天津见合八方光电科技有限公司以获取完整远场光斑测试方案及软硬件支持。

 

审核编辑 黄宇