作者：見合八方王偉、劉凡

摘要

隨著近些年光子集成技術的飛速發展，光芯片設計及耦合封裝，均需要進行對半導體激光器、半導體光放大器和增益芯片等有源光芯片的光斑進行測量，遠場光斑特性（如光斑尺寸、垂直和水平發散角）是評估器件性能的核心指標，通過對光斑特性的測量可以驗證仿真結果、設計耦合方案、改進芯片波導設計、改進封裝工藝。

傳統的測試方法往往依賴復雜的光學系統或昂貴的專用設備，操作繁瑣且成本高昂，而光斑測試系統使用頻次少，性價比低。

本文給出一種基于積分球光功率計及三軸自動滑臺的低成本簡易測試方法。通過逐點掃描光場光強分布，結合高斯擬合算法，快速獲取光斑尺寸及垂直/水平發散角，該方案無需昂貴復雜光學系統，降低了遠場光斑測試門檻，適用于激光芯片研發驗證、光子集成設計等應用，助力光芯片的性能提升與工藝優化。

關鍵詞

半導體激光器、半導體光放大器SOA、增益芯片、光子集成、遠場光斑、發散角

1. 光斑評價參數定義

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），光束橫截面上光強降至峰值光強 50% 處的兩點間距離，以峰值光強點為中心對稱測量。對于理想高斯光束，該寬度范圍內包含約76%的總光功率。

2.1/e2光束直徑，光強降至峰值光強1/e2（約13.5%）處的兩點間距離，通常采用機械式光束分析儀進行測量。在高斯光束模型中，其直徑與 FWHM 存在確定的數學關系：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

半發散角θ表示遠場發散度

遠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的范圍（<4*Zr）

2.測試方案

2.1.測試方案

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

功率探頭應大于理論光斑尺寸，以保證測試準確性。

2.2.測試配置

1.光功率計

光探頭應根據待測光芯片的波長范圍選擇對應的波長范圍的光功率計。

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

2.滑臺

可以使用XZ兩軸滑臺，滑臺行程應保證>光斑的大小。

本文測試實例選擇的是大行程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?

根據芯片發散角以及光功率計積分球光敏面的大小選擇一個合適的遠場位置L，L應大于4倍瑞利距離，同時為保證一定的光斑輪廓分辨率，L的選擇應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，以確保積分球能采集到一定強度的光功率。

1.?環境搭建?

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的合適位置。

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

o記錄光功率計/積分球，在激光器未開啟時，讀取的底噪光功率值，此數值為環境光噪聲。

o使用探針加電。

2.?光功率逐點掃描?

o三軸滑臺帶動探頭在XY平面內逐點移動，積分球實時采集每個位置的光功率值，形成二維光強分布矩陣。

o下圖示意了一個掃描路徑，實際可根據情況，將光場遍歷就可。

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

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

3.?高斯擬合與參數提取?

o記錄對應各點采集的光功率數據（測量數據應減去測試開始時記錄的光功率環境噪聲光功率），使用軟件算法按高斯光束進行擬合，詳見附件的Python擬合代碼。根據擬合結果，計算遠場光斑直徑，和遠場發散角（θ⊥、θ∥）。

?3.測試實例?

3.1數據整理

?1、將測試結果記錄在Excel表中，如下圖所示，使用條件格式根據數值大小染色后，此時已可看出光斑輪廓。

3.2 軟件處理

根據前面高斯光束公式簡化定義二維高斯光束函數：

使用高斯擬合：

擬合后結果如下：

上圖左側為采集的光場數據，通過軟件擬合后，光斑被補充完整，并消除了測量誤差。最終測量結果為：

遠場水平發散角θ∥：46.54°

遠場垂直發散角θ⊥：50.11°

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審核編輯 黃宇