光波導(dǎo)薄膜厚度和折射率的測量

1、光波導(dǎo)薄膜厚度和折射率的測量簡介有效折射率是表征光波導(dǎo)的重要參數(shù)，知道了有效折射率，才能計算波導(dǎo)的傳播常數(shù)，進(jìn)而根據(jù)光波導(dǎo)的色散方程計 算波導(dǎo)介質(zhì)的厚度、介電系數(shù)等其它參數(shù)。因此，通過測量光波導(dǎo)的有效折射率計算波導(dǎo)薄膜厚度和折射率對波導(dǎo)器件的 設(shè)計具有十分重要的意義。實驗?zāi)康牧私夤獠▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)介質(zhì)平板波導(dǎo)理論;掌握測量光波導(dǎo)有效折射率的方法；熟悉棱鏡耦合激發(fā)導(dǎo)模的實驗方法。實驗儀器光波導(dǎo)參數(shù)測量系統(tǒng)裝置預(yù)習(xí)提示什么叫衰減全反射？色散方程是如何建立的?實驗原理1 .介質(zhì)平板波導(dǎo)理論圖1三層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)介質(zhì)平面波導(dǎo)由三層介質(zhì)構(gòu)成，如圖1所示。在襯底和覆蓋層之間有一層波導(dǎo) 層，通常覆蓋層為空氣。設(shè)

2、襯底、波導(dǎo)層和覆蓋層的折射率分別為2、n1、n0，h 為波導(dǎo)層厚度(網(wǎng)量級)。波導(dǎo)層中形成導(dǎo)模的必要條件是：n n n。光在波導(dǎo)層中傳播，光場是振 120蕩的，而在襯底和覆蓋層中則以指數(shù)衰減的形式存在。波導(dǎo)層中的導(dǎo)模滿足色散方程，對于TM模，色散方程可寫為：,-1帶 H _琴 q團(tuán)？二施行一vm ，一 + tan 土一(1.1)對于TE模，色散方程可寫為:式中：(1.2)(1.3)(1.4)P =【妒-上云.召(1.5)其中P為傳播常數(shù)。外為真空中的波矢的大小，k0=2 A為實驗中所用激光的波長，m為模序數(shù)。導(dǎo)模有效折射率聲 義為：%：,=.，/(1.6)因而測得了導(dǎo)模有效折射率n，便知道了傳

3、播常數(shù)6。對于多模波導(dǎo)，若知道了三個模的m-1、m、m+1，便可聯(lián)立模序數(shù) 為m-1、m、m+1時的超越方程(1.1)，以TM模式色散方程為例，可得到：(1.7計算機(jī)求解上述超越方程就可求得波導(dǎo)薄膜的厚度h、折射率n1和模式數(shù)m。2 .棱鏡耦合原理對于圖1的三層平板波導(dǎo)，導(dǎo)模傳播常數(shù)P必須滿足：（1.8）（1.9）虹財氏盅 P 當(dāng)光束直接從介質(zhì)覆蓋層向波導(dǎo)入射時，光束能量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)模能量需滿足波矢匹配條件: p = kzr sin&其中0為入射角，由（1.8）、（1.9）式可知這種耦合是不可能的。同樣，光束也不能從襯底層耦合進(jìn)波導(dǎo)。棱鏡耦合法是在波導(dǎo)中激發(fā)導(dǎo)模的一種重要方法。棱鏡耦合原理如圖2所

4、示。若在波導(dǎo)層上放置一塊高折射率（） 的棱鏡，這時棱鏡底部與波導(dǎo)層的表面之間有一層空氣隙。當(dāng)入射角以大于棱鏡和空氣的全反射臨界角入射于棱鏡底部時，在空氣隙中產(chǎn)生衰逝場，與波導(dǎo)的衰逝場耦合，可使光束能量耦合轉(zhuǎn)化為導(dǎo)模的能量，耦合的強(qiáng)弱與空氣隙的厚度密切相關(guān)。耦合波導(dǎo)的匹配條件為:圖2棱鏡耦合原理圖(1.10)由于 一般比大，根據(jù)（1.8）、（1.10）兩式可知，這種耦合是完全可以的。滿足1.10）式的入射角0稱為共振角。當(dāng)耦合條件滿足時，大部分能量進(jìn)入波導(dǎo)，反射光強(qiáng)驟減，在反射屏上能觀察到若干條彎曲的線，艮Pm-fine。這時就 認(rèn)為導(dǎo)模被激發(fā)了。也可利用計算機(jī)模擬光束能量通過棱鏡進(jìn)入波導(dǎo)的角度

5、掃描過程。反射率?隨入射角的變化曲線也稱 為衰減全反射（ATR ）譜。如圖3所示：$圖3衰減全反射（ATR ）譜儀器結(jié)構(gòu) LaserElectric WireComputer圖4光波導(dǎo)參數(shù)測量裝置光波導(dǎo)參數(shù)測量裝置如圖4所示，它由激光器、偏振器、耦合棱鏡、待測波導(dǎo)、仞20儀、光電探測器、控制儀和電腦組 成。本測量裝置中仞20儀是一關(guān)鍵部件，它由計算機(jī)控制的步進(jìn)馬達(dá)傳動。實驗內(nèi)容與測量有效折射率測量有效折射率的傳統(tǒng)測量方法是采用m-line方法。即通過肉眼觀察到m線時，記錄下角度，計算得到有效折射率。但由 于人眼誤差較大，且考慮到一些m-line不易被觀察到的特殊情況（如波導(dǎo)損耗較大或光波波長較

6、長等情況），m-line方法就 不大有效了。本實驗中，樣品被放置在0/20儀旋轉(zhuǎn)臺上，用探測器測量反射光隨入射角的變化函數(shù)。通過反射曲線的驟減峰來判斷 導(dǎo)模的激發(fā)。為了獲得較為精密的實驗數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速及數(shù)據(jù)采集都由計算機(jī)來控制，如圖4。需要注意的是，當(dāng)轉(zhuǎn)臺 由計算機(jī)控制以角速度轉(zhuǎn)動的時候，根據(jù)反射定律，反射光線將以2轉(zhuǎn)動。也就是說，探測器將以2繞轉(zhuǎn)臺中心轉(zhuǎn)動。 若無特殊機(jī)構(gòu)，很難保證二者的同步。在本實驗中采用的0/20儀轉(zhuǎn)臺能很好的滿足上述要求。如圖5所示，圓臺實際上是由 內(nèi)圓臺和外圓環(huán)構(gòu)成，二者嚴(yán)格同心。樣品放置在內(nèi)圓臺上，當(dāng)內(nèi)圓臺以轉(zhuǎn)動時，通過一系列機(jī)構(gòu)帶動外圓環(huán)以2轉(zhuǎn)動。 探測器放置在

7、外圓環(huán)上。從而保證了不論樣品轉(zhuǎn)動到了何處位置，始終能準(zhǔn)確的探測到出射光強(qiáng)的變化。圖5 9 / 29儀示意圖探測器即為硅光電池。探測到的光強(qiáng)信號電壓一般為幾個毫伏，將這個信號經(jīng)模擬放大電路放大，再通過/D轉(zhuǎn)換卡，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)經(jīng)計算機(jī)采集并分析之后，能直接獲得棱鏡的耦合角9 ，從而可以根據(jù)公式：neff = n sin ，計算導(dǎo)模的有效折射率。測量軟件的計算機(jī)工作界面如圖6所示：圖6 m-line實驗曲線具體操作棱鏡底角的測量。光束在棱鏡入射面上的自準(zhǔn)。使入射光線在棱鏡入射面上的反射光嚴(yán)格與小孔重合，確定出入射光束的初始入射 角。o =。0。.點擊光波導(dǎo)參數(shù)測量儀的計算機(jī)工作界面上

8、“選項”菜單按鈕，確定計算機(jī)設(shè)定的步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)與步進(jìn)電機(jī)控制 箱的細(xì)分?jǐn)?shù)一致。啟動步進(jìn)馬達(dá)進(jìn)行角度掃描。在計算機(jī)工作界面上，按“反向”或“正向”菜單按鈕，開始n-line曲線掃描，得到 ATR譜線。在ATR譜上測定相鄰三個導(dǎo)模的同步角。按鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)大的十字叉絲，在計算機(jī)工作界面的右側(cè)“光標(biāo)位置” 顯示框讀出十字叉絲對應(yīng)的角度位置。計算出相鄰三個導(dǎo)模的傳播常數(shù)。 = k寥? 5in e?其中：0 =。 土 arcsin(sin /n )。將相鄰三個導(dǎo)模的傳播常數(shù)代入模式色散方程，求解薄膜的厚度和折射率(可編寫計 算軟件進(jìn)行計算)。思考題在實驗中如何確定角度的零點？如何把實驗中測得的外角轉(zhuǎn)化為耦合角？如果波導(dǎo)只能容納2個導(dǎo)模，如何確定薄膜的厚度和折射率？點擊“分布”菜單按鈕，提取已經(jīng)過濾波的選定圖像的光強(qiáng)分布，測量程序采用線性回歸方法給出回歸系數(shù)和波導(dǎo)的傳 輸損耗。注意事項入射光束不可太弱也不宜過強(qiáng)。光束太弱，傳輸線亮度太低，有可能低于CCD的閾值光強(qiáng)或被背景噪聲淹沒。光 束過強(qiáng)，有可能使CCD的響應(yīng)飽和，影響擬合精度；CCD探頭不宜離波導(dǎo)太近，否則探頭通過波導(dǎo)的玻璃襯底所成像也會被拍攝下來，從而帶來不必要的噪聲。CCD 除鏡頭外最好用黑布包裹，減小反射光干擾；在靠近棱鏡與波導(dǎo)的耦