【实验1】光波导薄膜厚度和折射率的测量(新格式)

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1、光波导薄膜厚度和折射率的测量[简介]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薄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]1．了解光波导结构，学习介质平板波导理论；2．掌握测量光波导有效折射率的方法；3．熟悉棱镜耦合激发导模的实验方法。[实验仪器]光波导参数测量系统装置[预习提示]1．什么叫衰减全反射？2．色散方程是如何建立的？[实验原理]1．介质平板波导理论图1三层平板波导结构介质平面波导由三层介质构成，如图1

2、所示。在衬底和覆盖层之间有一层波导层，通常覆盖层为空气。设衬底、波导层和覆盖层的折射率分别为n2、n1、n0，h为波导层厚度（mm量级）。波导层中形成导模的必要条件是：。光在波导层中传播，光场是振荡的，而在衬底和覆盖层中则以指数衰减的形式存在。波导层中的导模满足色散方程，对于TM模，色散方程可写为：(1.1)对于TE模，色散方程可写为：(1.2)式中：(1.3)(1.4)(1.5)其中b为传播常数。k0为真空中的波矢的大小，k0＝2p/l，l为实验中所用激光的波长，m为模序数。导模有效折射率neff定义为：(1.6)因而测得了导模有效折射率neff，便知道了传播常数b

3、。对于多模波导，若知道了三个模的m-1、m、m+1，便可联立模序数为m-1、m、m+1时的超越方程（1.1），以TM模式色散方程为例，可得到：(1.7计算机求解上述超越方程就可求得波导薄膜的厚度h、折射率n1和模式数m。2．棱镜耦合原理对于图1的三层平板波导，导模传播常数b必须满足：（1.8）当光束直接从介质覆盖层向波导入射时，光束能量转化为导模能量需满足波矢匹配条件：（1.9）其中q为入射角，由（1.8）、（1.9）式可知这种耦合是不可能的。同样，光束也不能从衬底层耦合进波导。棱镜耦合法是在波导中激发导模的一种重要方法。棱镜耦合原理如图2所示。若在波导层上放置一块高

4、折射率（np）的棱镜，这时棱镜底部与波导层的表面之间有一层空气隙。当入射角以大于棱镜和空气的全反射临界角入射于棱镜底部时，在空气隙中产生衰逝场，与波导的衰逝场耦合，可使光束能量耦合转化为导模的能量，耦合的强弱与空气隙的厚度密切相关。耦合波导的匹配条件为：图2棱镜耦合原理图(1.10)由于np一般比n1大，根据（1.8）、（1.10）两式可知，这种耦合是完全可以的。满足（1.10）式的入射角qp称为共振角。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若干条弯曲的线，即m-line。这时就认为导模被激发了。也可利用计算机模拟光束能量通过棱镜进入波

5、导的角度扫描过程。反射率R随入射角的变化曲线也称为衰减全反射（ATR）谱。如图3所示：图3衰减全反射（ATR）谱图4光波导参数测量装置[仪器结构]光波导参数测量装置如图4所示，它由激光器、偏振器、耦合棱镜、待测波导、θ/2θ仪、光电探测器、控制仪和电脑组成。本测量装置中θ/2θ仪是一关键部件，它由计算机控制的步进马达传动。[实验内容与测量]1．有效折射率测量有效折射率的传统测量方法是采用m-line方法。即通过肉眼观察到m线时，记录下角度，计算得到有效折射率。但由于人眼误差较大，且考虑到一些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-

6、line方法就不大有效了。本实验中，样品被放置在θ/2θ仪旋转台上，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。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，如图4。需要注意的是，当转台由计算机控制以角速度w转动的时候，根据反射定律，反射光线将以2w转动。也就是说，探测器将以2w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θ/2θ仪转台能很好的满足上述要求。如图5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2w转动。探测器

7、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。图5仪示意图探测器即为硅光电池。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：，计算导模的有效折射率。测量软件的计算机工作界面如图6所示：图6m-line实验曲线1．具体操作a．棱镜底角的测量。b．光束在棱镜入射面上的自准。使入射光线在棱镜入射面上的反射光严格与小孔重合，确定出入射光束的初始入射角。c．点击光波导参数测量仪的计算机工作