《光电探测与微弱信号处理》课程论文

1、光电探测与微弱信号处 理课程论文题 目 棱镜耦合法测量波导参数姓 名 宋亚杰 所在学院 物理与电信工程学院 专 业 光 学 学 号 2009021417 指导教师 黄佐华 日 期 2010年 9月 1日 19棱镜耦合法测光波导参数摘要：本文简述了光波导的发展，简要介绍了测量薄膜参数的几种方法。概述了光波导的电磁理论基础、介质平板波导理论和棱镜耦合原理。简要的总结了棱镜耦合测量波导参数的优点。测量了聚合物波导薄膜的厚度和有效折射率。关键词：光波导 棱镜耦合 薄膜参数 引言随着知识经济的到来，人们迫切要求掌握尽可能多的信息量，因此对通信速率提出了更高的要求，光纤通信应运而生。在年代更是得到了跳越式

2、的发展。虽然近几年光纤通讯进入了阶段性的低谷，但人们对它的热情依然未减，各种新想法、新概念层出不穷。近期，自动交换光网络和光纤到户成为了研究热点。这些新想法、新概念的 实现都离不开各类光电子器件的支持。 1光波技术的发展20世纪70年代至90年代，光波技术的发展是以光纤通信为主线的，基本上以提高光纤链路传输速率和延长传输距离为目标。20世纪90年代以后逐渐进入光网络时代。光网络是以网络节点互联而成的全光透明网络。为了实现光信号的透明传输，网络节点必须在光域完成选路、交换等功能。因而光信息技术，如光缓存、光逻辑、光交换等，已成为光波技术的前沿领域。近年来提出的量子光通信概念，更预示着在通信及信息

3、光系统领域一个新的发展时期的到来。经典通信包括相干通信、光孤子通信等新的通信技术都受到经典中高斯噪声的制约，其信道容量都是有限的。近年提出的量子光通信概念，以光量子作为信息载体，而非传统的以光波作为信息载体。光量子的传输与作用服从量子力学规律，而量子光通信则遵从量子信息论。按照量子光通信的概念，一个光子有可能将无限多的信息传递给无限多个分支终端。量子光通信概念的提出及相关技术的开发，必将在光通信领域产生一场深刻的变革。2. 几种常见的薄膜参数测量方法 薄膜技术是当前材料科技的研究热点，特别是纳米级薄膜技术的迅速发展， 精确测薄膜厚度及其折射率等光学参数受到人们的高度重视。无论是在实验室中还是工

4、业领域，薄膜厚度和折射率测量都是一项很关键的技术。由于薄膜和基底材料的性质和形态不同，如何选择符合测量要求的测量方法和仪器，是一个值得认真考虑的问题。每一种测量方法和仪器都有各自的使用要求、测量范围、精确度、特点及局限性。 2.1椭圆偏光法椭圆偏光法是用椭圆偏振光束投射到样品表面，观测反射光束偏振状态的 改变，从而定出样品上薄膜层厚度和折射率。在各种已有的测定薄膜厚度的方法 中，椭圆偏光法是能测薄膜最薄和测量精度最高的一种，应用范围很广，在半导体 工业，金属工业和生物学方面也有广泛用途。其测量原理图如图1所示。 图1 偏仪测试系统基本光路原理图 椭圆偏振法存在一个膜厚周期以，在一个膜厚周期内，

5、椭偏法测量膜厚有确定值。若待测膜厚超过一个周期，膜厚有多个不确定值。虽然可采用多入射角或 多波长法确定周期数，但实现起来比较困难。因此，椭偏法适合于透明的或弱吸收的、各向同性的、厚度小于一个周期的薄膜，也可用于多层膜的测量。 2.2干涉法干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度和折 射率的。根据光干涉条纹方程，对于不透明膜 对于透明膜 为条纹错位条纹数，为条纹错位量，为条纹间隔。因此，若测得，就可求出薄膜厚度或折射率疗。 干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且适用于双折 射薄膜。一般来说，不能同时确定薄膜的厚度和折射率，只能用其它方法测得其中一个量，用干涉法

6、求另一个量。另外，确定干涉条纹的错位条纹数印比较困难，对低反射率的薄膜所形成的干涉条对比度低，会带来测量误差，而且薄膜要有台阶，测量过程调节复杂，容易磨损薄膜表面等，这些都对测量带来不便。2.3最小偏向角法从光密媒质1射向光疏媒质n2，且入射角大于全反射角时，在两层介质的界面上会发生全反射，这时入射光的能量全部被反射。光波导就是利用这一性质制作而成，光密媒质被光疏媒质包覆在中央，在一定条件下光能量就能被限制在光密媒质中传输。光波导包括具有圆形截面的波导以及平板波导、条形波导等。 2.4棱镜耦合法 棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，将入射光导入被测薄膜，检测和分析不同入射角的反射光

7、，确定波导导模耦合角，从而求得薄膜厚度和 折射率的一种接触测量方法。近年来 随着 光通信技术 的发展 ，集成光 器件 的研究引 起了人们越来 越多 的兴 趣 ，而光波导薄膜是光器件的基础 ，掌握和控制薄膜的光学参数是制造优质薄膜的保证。 波导薄膜 最重要的两项参数是薄膜的折射率和厚度棱镜耦合法由于测量精度高、实验装置简单、测试方便快捷等优点，在实验室里非常受欢迎。 3理论基础3.1介质平板波导理论 图2 介质平扳波导结构 介质平板波导的结构如图所示，它由三层材料组成。中间一层波导薄膜，它淀积在折射率为n0的衬底上，薄膜上层是折射率n2的覆盖层（或称包层）。薄膜的厚度一般为微米量级，可与光波长相

8、比较。 3.2平板光波导的线光学模型 平板光波导的线光学模型的基础为全反射，为此我们首先来回顾一下几何光学的几个重要公式。考虑图3所示的一分界面，其两侧的折射率分别为，n1 和 n2的两种 无损耗、各向同性的均匀介质。 图3折射率为和的两介质间的分界面 由嵋介质向分界面入射一相干光波，其波阵面法线与分界面法线成只角。一般说来，具有复振幅的光在分界面上，一部分被反射，一部分被折射。根据斯奈尔（）定律，折射光的出射角岛（即通常所说的折射角）由下式给出： 反射光具有复振幅，在分界面处它与通过反射系数成线性关系： 反射系数的大小取决于入射角和光的偏振念，由菲涅耳公式给出。对偏振（即 电场垂直于波阵面法

9、线和分界面法线构成的入射面），则有 对于偏振（即磁场垂直于入射面），相应的公式为： 临界角由下式给出： 若1<c，则光只有部分被反射，取实数，一旦入射角超过临界角（1>c），=1于是发生光的全反射。这时反射光产生相移，取复数，可写为 因此可以从菲涅耳公式中推出与两偏振态对应的相移虹和， 其表达式分别为 式中，k0n1sin1, k0=，是入射光的波长。 3.3平板波导的导模 图4平板波导的俯视图图 4表示了平板波导的侧视图以及所选的坐标系，设自由空间的波长为 ， 角频率为 ，则自由空间的波数为： 定义波导的有效折射率 N 又可称为模折射率或模指数， 利用有效折射率， 可将平板波导的

10、模式本征方程写成 : 3.4. 棱镜耦合 图5棱镜波导耦合系统棱镜耦合系统的结构如图 5 所示， 它是用一折射率高于波导薄膜的三角棱镜压在介质平板波导上构成的。 在棱镜的底部和波导薄膜的表面之间有一层很窄的空气间隙。 从激光器射来的光束进入棱镜后， 在棱镜底部发生全反射， 在空气间隙中产生迅衰场。 由于空气间隙层很薄， 约有几分之一个激光波长， 因此迅衰场的尾部可以到达空气薄膜界面， 由于反射作用， 在空气薄膜界面形成一相反的迅衰场。 正是由于这两个相反方向的迅衰场的相应作用， 才使入射光耦合进波导。 当然， 这一过程是可逆的。 即介质波导中的导模功率也能转化为棱镜介质中的空间光束， 这就是导

11、模与辐射模之间的能量交换过程。 类比于量子力学中微观粒子穿透势垒的行为， 这个过程称为光学隧道效应。 实际上， 值得注意的是上述耦合效应不是在任何情况下都会发生的， 只有在满足相位匹配的条件下才能发生。 这就是要求棱镜中沿 z 轴方向的光波波矢必须与波导中导波的传播常数相等，即必须满足上式也称为同步条件，称为同步角。能量 耦合效率由棱镜和波导之间的间隙宽度决定。 采用计算机控制的 - 2 转角仪代替传统的手动转台，保证探测器和样品反射光线转动同步，然后采集反射光强，在计算机上显示出反射光强 I 曲线，即可给出同步角。 以 TE 模为例，测得三个同步角的位置，可求得三个有效折射率 N1N2N3

12、代入模式本征方程可得：联立 (1)(2)(3) 式即可求的模序数 m, 波导层折射率 n 1, 厚度 h. 实验装置如下图所示： 图6 m线法测量导膜的有效折射率装置示意图图7 M线测试系统实物图测量装置如图7所示，通过计算机控制的转角仪，扫描得到波导的反 射光谱，如图8所示。 图8 双面金属包覆波导反射光谱以波导耦合理论为依据 , 采用棱镜耦合法设计了集光电为一体的高精度波导损耗测量系统。 测量以激光为光源 , 采用双光路法 , 消除了通用检测仪由于光源光强不稳定产生的误差 , 使得测量结果只与光强的相对变化量有关。 光波出入波导均采用棱镜耦合 , 减少了普通测试方法因样品质量及面形误差和端

13、面洁净情况不同或输出透镜不能很好汇聚光波而产生的误差。 利用常规仪器设备实现了数字化检测显示 , 避免了人为主观读数产生的误差。利用 AD538 实时模拟计算芯片 , 提高了计算精度和运算速度。 4基于双面金属包覆波导测量的优点 4.1可以同时测量折射率和厚度如果波导中存在三个以上导模，可利用式（）同时求解模序数、薄膜折射率和厚度；如果随着薄膜厚度的减小，只能承载两个导模，则无需求解模序数，用观测法就可得到，只需联立两个方程求解薄膜折射率和厚度即可；如果厚度减小到只能承载一个导模，则可联立、两个方程亦可求解。4.测量范围大棱镜耦合的测量原理与本方法类似，但由于其耦合技术的限制，薄膜的折射率必须

14、小于棱镜的折射率，因此测量范围有限。而基于双面金属包覆波导的测量技术则无折射率方面的限制。薄膜厚一般超过后就可承载一个导模，因此厚度的测量范围可以从到。厚度太大模序数判别误差 影响测量精度。 4.3可测量具有双折射的薄膜因为可以分别使用、两种偏振光进行测量，所以可测量具有双折射效应 的介质。 .4测量准确度高由于转台的角分辨率可以达到一，对吸收峰位置的测量可以达到很高的精度。折射率和厚度的测量相对误差可以达到于分之一。基于双面金属包覆波导的薄膜参数测量是一种棱镜耦合方法的改进型，比棱镜耦合方法性能更加优越，预计会在有机材料、聚合物和光学波导器件等领域中有广泛应用，特别是高折射率材料领域。当然，

15、这种方法也有一些缺点，比如待测薄膜表面应平整和干净，薄膜只能有微小的吸收。 自导波光学问世以来，由于它在未来信息社会巨大的应用潜力，一直受到 学术界和技术界的高度重视。经过三十余年的发展，今天已初步成为一门体系完整的学科。以导波光学为理论基础的光纤技术、平面型光波导技术、集成光电回路及集成光路技术获得了迅速的发展，越来越多地发挥着重要作用。 5实物测量聚合物波导四号样品，结构是棱镜-金属-聚合物，图9为TM模式，图10为TE模式。图10 实验曲线 图11实验曲线图10 实验曲线实验分析：TM模式比TE模式反射光强度大，M线不够平滑。不同实验次数实验数据差别较大，特别是薄膜厚度。入射角较大时实验结果为复数。客观不足：棱镜面不平行。调整转台面与棱镜面垂直有困难。参考文献：1陆海峰.亚毫米尺度双面金属包覆波导的特性和应用研究.学位论文.上海交通大学.20062李红根.亚毫米尺度双面金属包覆波导的直接耦合方法及其应用研究学位论文.上海交通大学.20063赵孝祥、 许政权. 利用棱镜祸合器测量光波导衬底的折