文档介绍：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]
,学****介质平板波导理论;
;
。
[实验仪器]
光波导参数测量系统装置
[预****提示]
什么叫衰减全反射?
色散方程是如何建立的?
[实验原理]

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 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:
()
对于TE 模,色散方程可写为:
()
式中:
()
()
()
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:
()
因而测得了导模有效折射率neff,便知道了传播常数b。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(),以TM 模式色散方程为例,可得到:
(
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 。

对于图1 的三层平板波导,导模传播常数b必须满足:
()
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:
()
其中q为入射角,由()、()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
()
由于np一般比n1大,根据()、()两式可知,这种耦合是完全可以的。满足()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