有机聚合物光波导有效折射率的测量

PAGE４PAGE４光波导薄膜厚度和折射率的测量有效折射率是表征光波导的重要参数，知道了有效折射率，才能计算波导的传播常数，进而根据光波导的色散方程计算波导介质的厚度、介电系数等其它参数。因此,通过测量光波导的有效折射率计算波导波膜厚度和折射率对波导器件的设计具有十分重要的意义。[实验目的]了解聚合物光波导结构，学习介质平板波导理论；掌握测量有机聚合物光波导有效折射率的方法；熟悉棱镜耦合激发导模的实验方法。[实验原理]1．介质平板波导理论如图1所示的三层平板波导的TM模色散方程可写为：Fig.1三层平板波导结构衬底波导层覆盖层Fig.1三层平板波导结构衬底波导层覆盖层（1）（1）式中：（2）（2）（3）（3）（4）（4）其中为传播常数。为真空中的波矢，，为实验中所用激光的波长（=650nm）。、分别为波导薄膜、衬底（空气）的的折射率，为覆盖层（银膜）的复折射率，。h为薄膜厚度。导模有效折射率定义为：（5）（5）因而测得了，便知道了传播常数。对于多模波导，若知道了三个模的、、，便可联立当模序数为m-1、m、m+1时的超越方程（1），（6）（6）求出波导薄膜的厚度h和折射率2．棱镜耦合棱镜耦合法是在波导中激发导模的一种重要方法。棱镜耦合的原理如图2所示。棱镜耦合条件为：衬底（空气）棱镜导波层银膜h衬底（空气）棱镜导波层银膜hFig.2棱镜耦合原理图本实验中棱镜的折射率=1.75。当耦合条件满足时，大部分能量进入波导，反射光强骤减，在反射屏上能观察到一条弯曲的线，即m-line。这时就认为导模被激发了。[实验仪器]半导体激光器、起偏器、探测器、仪、计算机。[实验内容]1．有效折射率测量的实验方法有效折射率的传统测量方法是采用m-line方法。即通过用肉眼观察到m线时记录下角度，即可计算得到有效折射率。但由于人眼误差较大，且对于一些m-line不易被观察到的特殊情况（如波导损耗较大或光波波长较长等情况），m-line方法就不大有效了。本实验中，样品被放置在旋转台上，用探测器测量反射光随入射角的变化函数。通过反射曲线的骤减峰来判断导模的激发。实验光路布置如图3所示。为了获得较为精密的实验数据，转台的转速及数据采集都由计算机来控制。Fig.3实验光路布置需要注意的是，当转台以角速度转动的时候，根据反射定律，反射光线将以2转动。也就是说，探测器将以2绕转台中心转动。若无特殊机构，很难保证二者的同步。在本实验中采用的仪能很好的满足上述要求。如图4所示。圆台实际上是由内圆台和外圆环构成，二者严格同心。样品放置在内圆台上，当内圆台以转动时，通过一系列机构带动外圆环以2转动。探测器放置在外圆环上。从而保证了不论样品转动到了何处位置，始终能准确的探测到出射光强的变化。入射光线探测器内圆台外圆环样品入射光线探测器内圆台外圆环样品Fig.4仪示意图探测器即为普通的硅光电池。探测到的光强信号电压一般为几个毫伏，将这个信号经模拟放大电路放大，再通过

A/D转换卡转换成数字信号进行分析。数据经计算机采集并分析之后能直接获得棱镜的耦合角。从而可以根据公式计算导膜的有效折射率。测量软件的计算机界面如图5所示：Fig.5m-line实验曲线2．具体操作本实验全部由软件控制，以下就软件控制实验过程说明如下：1．首先将棱镜自准，确定马达打开后棱镜向角度减小方向转动；2．输入棱镜折射率。若回车则表示采用缺省值1.750；3．屏幕显示命令键定义，回车则进入下一步；4．按“s”