《光電探測與微弱信號處理》課程論文

1、光電探測與微弱信號處 理課程論文題 目 棱鏡耦合法測量波導參數姓 名 宋亞杰 所在學院 物理與電信工程學院 專 業(yè) 光 學 學 號 2009021417 指導教師 黃佐華 日 期 2010年 9月 1日 19棱鏡耦合法測光波導參數摘要：本文簡述了光波導的發(fā)展，簡要介紹了測量薄膜參數的幾種方法。概述了光波導的電磁理論基礎、介質平板波導理論和棱鏡耦合原理。簡要的總結了棱鏡耦合測量波導參數的優(yōu)點。測量了聚合物波導薄膜的厚度和有效折射率。關鍵詞：光波導 棱鏡耦合 薄膜參數 引言隨著知識經濟的到來，人們迫切要求掌握盡可能多的信息量，因此對通信速率提出了更高的要求，光纖通信應運而生。在年代更是得到了跳越式

2、的發(fā)展。雖然近幾年光纖通訊進入了階段性的低谷，但人們對它的熱情依然未減，各種新想法、新概念層出不窮。近期，自動交換光網絡和光纖到戶成為了研究熱點。這些新想法、新概念的 實現都離不開各類光電子器件的支持。 1光波技術的發(fā)展20世紀70年代至90年代，光波技術的發(fā)展是以光纖通信為主線的，基本上以提高光纖鏈路傳輸速率和延長傳輸距離為目標。20世紀90年代以后逐漸進入光網絡時代。光網絡是以網絡節(jié)點互聯而成的全光透明網絡。為了實現光信號的透明傳輸，網絡節(jié)點必須在光域完成選路、交換等功能。因而光信息技術，如光緩存、光邏輯、光交換等，已成為光波技術的前沿領域。近年來提出的量子光通信概念，更預示著在通信及信息

3、光系統領域一個新的發(fā)展時期的到來。經典通信包括相干通信、光孤子通信等新的通信技術都受到經典中高斯噪聲的制約，其信道容量都是有限的。近年提出的量子光通信概念，以光量子作為信息載體，而非傳統的以光波作為信息載體。光量子的傳輸與作用服從量子力學規(guī)律，而量子光通信則遵從量子信息論。按照量子光通信的概念，一個光子有可能將無限多的信息傳遞給無限多個分支終端。量子光通信概念的提出及相關技術的開發(fā)，必將在光通信領域產生一場深刻的變革。2. 幾種常見的薄膜參數測量方法 薄膜技術是當前材料科技的研究熱點，特別是納米級薄膜技術的迅速發(fā)展， 精確測薄膜厚度及其折射率等光學參數受到人們的高度重視。無論是在實驗室中還是工

4、業(yè)領域，薄膜厚度和折射率測量都是一項很關鍵的技術。由于薄膜和基底材料的性質和形態(tài)不同，如何選擇符合測量要求的測量方法和儀器，是一個值得認真考慮的問題。每一種測量方法和儀器都有各自的使用要求、測量范圍、精確度、特點及局限性。 2.1橢圓偏光法橢圓偏光法是用橢圓偏振光束投射到樣品表面，觀測反射光束偏振狀態(tài)的 改變，從而定出樣品上薄膜層厚度和折射率。在各種已有的測定薄膜厚度的方法 中，橢圓偏光法是能測薄膜最薄和測量精度最高的一種，應用范圍很廣，在半導體 工業(yè)，金屬工業(yè)和生物學方面也有廣泛用途。其測量原理圖如圖1所示。 圖1 偏儀測試系統基本光路原理圖 橢圓偏振法存在一個膜厚周期以，在一個膜厚周期內，

5、橢偏法測量膜厚有確定值。若待測膜厚超過一個周期，膜厚有多個不確定值。雖然可采用多入射角或 多波長法確定周期數，但實現起來比較困難。因此，橢偏法適合于透明的或弱吸收的、各向同性的、厚度小于一個周期的薄膜，也可用于多層膜的測量。 2.2干涉法干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉條紋的原理來確定薄膜厚度和折 射率的。根據光干涉條紋方程，對于不透明膜 對于透明膜 為條紋錯位條紋數，為條紋錯位量，為條紋間隔。因此，若測得，就可求出薄膜厚度或折射率療。 干涉法不但可以測量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且適用于雙折 射薄膜。一般來說，不能同時確定薄膜的厚度和折射率，只能用其它方法測得其中一個量，用干涉法

6、求另一個量。另外，確定干涉條紋的錯位條紋數印比較困難，對低反射率的薄膜所形成的干涉條對比度低，會帶來測量誤差，而且薄膜要有臺階，測量過程調節(jié)復雜，容易磨損薄膜表面等，這些都對測量帶來不便。2.3最小偏向角法從光密媒質1射向光疏媒質n2，且入射角大于全反射角時，在兩層介質的界面上會發(fā)生全反射，這時入射光的能量全部被反射。光波導就是利用這一性質制作而成，光密媒質被光疏媒質包覆在中央，在一定條件下光能量就能被限制在光密媒質中傳輸。光波導包括具有圓形截面的波導以及平板波導、條形波導等。 2.4棱鏡耦合法 棱鏡耦合法是通過在薄膜樣品表面放置一塊耦合棱鏡，將入射光導入被測薄膜，檢測和分析不同入射角的反射光

7、，確定波導導模耦合角，從而求得薄膜厚度和 折射率的一種接觸測量方法。近年來 隨著 光通信技術 的發(fā)展 ，集成光 器件 的研究引 起了人們越來 越多 的興 趣 ，而光波導薄膜是光器件的基礎 ，掌握和控制薄膜的光學參數是制造優(yōu)質薄膜的保證。 波導薄膜 最重要的兩項參數是薄膜的折射率和厚度棱鏡耦合法由于測量精度高、實驗裝置簡單、測試方便快捷等優(yōu)點，在實驗室里非常受歡迎。 3理論基礎3.1介質平板波導理論 圖2 介質平扳波導結構 介質平板波導的結構如圖所示，它由三層材料組成。中間一層波導薄膜，它淀積在折射率為n0的襯底上，薄膜上層是折射率n2的覆蓋層（或稱包層）。薄膜的厚度一般為微米量級，可與光波長相

8、比較。 3.2平板光波導的線光學模型 平板光波導的線光學模型的基礎為全反射，為此我們首先來回顧一下幾何光學的幾個重要公式?？紤]圖3所示的一分界面，其兩側的折射率分別為，n1 和 n2的兩種 無損耗、各向同性的均勻介質。 圖3折射率為和的兩介質間的分界面 由嵋介質向分界面入射一相干光波，其波陣面法線與分界面法線成只角。一般說來，具有復振幅的光在分界面上，一部分被反射，一部分被折射。根據斯奈爾（）定律，折射光的出射角島（即通常所說的折射角）由下式給出： 反射光具有復振幅，在分界面處它與通過反射系數成線性關系： 反射系數的大小取決于入射角和光的偏振念，由菲涅耳公式給出。對偏振（即 電場垂直于波陣面法

9、線和分界面法線構成的入射面），則有 對于偏振（即磁場垂直于入射面），相應的公式為： 臨界角由下式給出： 若1<c，則光只有部分被反射，取實數，一旦入射角超過臨界角（1>c），=1于是發(fā)生光的全反射。這時反射光產生相移，取復數，可寫為 因此可以從菲涅耳公式中推出與兩偏振態(tài)對應的相移虹和， 其表達式分別為 式中，k0n1sin1, k0=，是入射光的波長。 3.3平板波導的導模 圖4平板波導的俯視圖圖 4表示了平板波導的側視圖以及所選的坐標系，設自由空間的波長為 ， 角頻率為 ，則自由空間的波數為： 定義波導的有效折射率 N 又可稱為模折射率或模指數， 利用有效折射率， 可將平板波導的

10、模式本征方程寫成 : 3.4. 棱鏡耦合 圖5棱鏡波導耦合系統棱鏡耦合系統的結構如圖 5 所示， 它是用一折射率高于波導薄膜的三角棱鏡壓在介質平板波導上構成的。 在棱鏡的底部和波導薄膜的表面之間有一層很窄的空氣間隙。 從激光器射來的光束進入棱鏡后， 在棱鏡底部發(fā)生全反射， 在空氣間隙中產生迅衰場。 由于空氣間隙層很薄， 約有幾分之一個激光波長， 因此迅衰場的尾部可以到達空氣薄膜界面， 由于反射作用， 在空氣薄膜界面形成一相反的迅衰場。 正是由于這兩個相反方向的迅衰場的相應作用， 才使入射光耦合進波導。 當然， 這一過程是可逆的。 即介質波導中的導模功率也能轉化為棱鏡介質中的空間光束， 這就是導

11、模與輻射模之間的能量交換過程。 類比于量子力學中微觀粒子穿透勢壘的行為， 這個過程稱為光學隧道效應。 實際上， 值得注意的是上述耦合效應不是在任何情況下都會發(fā)生的， 只有在滿足相位匹配的條件下才能發(fā)生。 這就是要求棱鏡中沿 z 軸方向的光波波矢必須與波導中導波的傳播常數相等，即必須滿足上式也稱為同步條件，稱為同步角。能量 耦合效率由棱鏡和波導之間的間隙寬度決定。 采用計算機控制的 - 2 轉角儀代替?zhèn)鹘y的手動轉臺，保證探測器和樣品反射光線轉動同步，然后采集反射光強，在計算機上顯示出反射光強 I 曲線，即可給出同步角。 以 TE 模為例，測得三個同步角的位置，可求得三個有效折射率 N1N2N3

12、代入模式本征方程可得：聯立 (1)(2)(3) 式即可求的模序數 m, 波導層折射率 n 1, 厚度 h. 實驗裝置如下圖所示： 圖6 m線法測量導膜的有效折射率裝置示意圖圖7 M線測試系統實物圖測量裝置如圖7所示，通過計算機控制的轉角儀，掃描得到波導的反 射光譜，如圖8所示。 圖8 雙面金屬包覆波導反射光譜以波導耦合理論為依據 , 采用棱鏡耦合法設計了集光電為一體的高精度波導損耗測量系統。 測量以激光為光源 , 采用雙光路法 , 消除了通用檢測儀由于光源光強不穩(wěn)定產生的誤差 , 使得測量結果只與光強的相對變化量有關。 光波出入波導均采用棱鏡耦合 , 減少了普通測試方法因樣品質量及面形誤差和端

13、面潔凈情況不同或輸出透鏡不能很好匯聚光波而產生的誤差。 利用常規(guī)儀器設備實現了數字化檢測顯示 , 避免了人為主觀讀數產生的誤差。利用 AD538 實時模擬計算芯片 , 提高了計算精度和運算速度。 4基于雙面金屬包覆波導測量的優(yōu)點 4.1可以同時測量折射率和厚度如果波導中存在三個以上導模，可利用式（）同時求解模序數、薄膜折射率和厚度；如果隨著薄膜厚度的減小，只能承載兩個導模，則無需求解模序數，用觀測法就可得到，只需聯立兩個方程求解薄膜折射率和厚度即可；如果厚度減小到只能承載一個導模，則可聯立、兩個方程亦可求解。4.測量范圍大棱鏡耦合的測量原理與本方法類似，但由于其耦合技術的限制，薄膜的折射率必須

14、小于棱鏡的折射率，因此測量范圍有限。而基于雙面金屬包覆波導的測量技術則無折射率方面的限制。薄膜厚一般超過后就可承載一個導模，因此厚度的測量范圍可以從到。厚度太大模序數判別誤差 影響測量精度。 4.3可測量具有雙折射的薄膜因為可以分別使用、兩種偏振光進行測量，所以可測量具有雙折射效應 的介質。 .4測量準確度高由于轉臺的角分辨率可以達到一，對吸收峰位置的測量可以達到很高的精度。折射率和厚度的測量相對誤差可以達到于分之一。基于雙面金屬包覆波導的薄膜參數測量是一種棱鏡耦合方法的改進型，比棱鏡耦合方法性能更加優(yōu)越，預計會在有機材料、聚合物和光學波導器件等領域中有廣泛應用，特別是高折射率材料領域。當然，

15、這種方法也有一些缺點，比如待測薄膜表面應平整和干凈，薄膜只能有微小的吸收。 自導波光學問世以來，由于它在未來信息社會巨大的應用潛力，一直受到 學術界和技術界的高度重視。經過三十余年的發(fā)展，今天已初步成為一門體系完整的學科。以導波光學為理論基礎的光纖技術、平面型光波導技術、集成光電回路及集成光路技術獲得了迅速的發(fā)展，越來越多地發(fā)揮著重要作用。 5實物測量聚合物波導四號樣品，結構是棱鏡-金屬-聚合物，圖9為TM模式，圖10為TE模式。圖10 實驗曲線 圖11實驗曲線圖10 實驗曲線實驗分析：TM模式比TE模式反射光強度大，M線不夠平滑。不同實驗次數實驗數據差別較大，特別是薄膜厚度。入射角較大時實驗結果為復數?？陀^不足：棱鏡面不平行。調整轉臺面與棱鏡面垂直有困難。參考文獻：1陸海峰.亞毫米尺度雙面金屬包覆波導的特性和應用研究.學位論文.上海交通大學.20062李紅根.亞毫米尺度雙面金屬包覆波導的直接耦合方法及其應用研究學位論文.上海交通大學.20063趙孝祥、 許政權. 利用棱鏡禍合器測量光波導襯底的折