有機聚合物光波導(dǎo)有效折射率的測量

PAGE４PAGE４光波導(dǎo)薄膜厚度和折射率的測量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)波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)康腯了解聚合物光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)介質(zhì)平板波導(dǎo)理論；掌握測量有機聚合物光波導(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。[實驗原理]1．介質(zhì)平板波導(dǎo)理論如圖1所示的三層平板波導(dǎo)的TM模色散方程可寫為：Fig.1三層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)襯底波導(dǎo)層覆蓋層Fig.1三層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)襯底波導(dǎo)層覆蓋層（1）（1）式中：（2）（2）（3）（3）（4）（4）其中為傳播常數(shù)。為真空中的波矢，，為實驗中所用激光的波長（=650nm）。、分別為波導(dǎo)薄膜、襯底（空氣）的的折射率，為覆蓋層（銀膜）的復(fù)折射率，。h為薄膜厚度。導(dǎo)模有效折射率定義為：（5）（5）因而測得了，便知道了傳播常數(shù)。對于多模波導(dǎo)，若知道了三個模的、、，便可聯(lián)立當(dāng)模序數(shù)為m-1、m、m+1時的超越方程（1），（6）（6）求出波導(dǎo)薄膜的厚度h和折射率2．棱鏡耦合棱鏡耦合法是在波導(dǎo)中激發(fā)導(dǎo)模的一種重要方法。棱鏡耦合的原理如圖2所示。棱鏡耦合條件為：襯底（空氣）棱鏡導(dǎo)波層銀膜h襯底（空氣）棱鏡導(dǎo)波層銀膜hFig.2棱鏡耦合原理圖本實驗中棱鏡的折射率=1.75。當(dāng)耦合條件滿足時，大部分能量進(jìn)入波導(dǎo)，反射光強驟減，在反射屏上能觀察到一條彎曲的線，即m-line。這時就認(rèn)為導(dǎo)模被激發(fā)了。[實驗儀器]半導(dǎo)體激光器、起偏器、探測器、儀、計算機。[實驗內(nèi)容]1．有效折射率測量的實驗方法有效折射率的傳統(tǒng)測量方法是采用m-line方法。即通過用肉眼觀察到m線時記錄下角度，即可計算得到有效折射率。但由于人眼誤差較大，且對于一些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長等情況），m-line方法就不大有效了。本實驗中，樣品被放置在旋轉(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)。實驗光路布置如圖3所示。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)采集都由計算機來控制。Fig.3實驗光路布置需要注意的是，當(dāng)轉(zhuǎn)臺以角速度轉(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。若無特殊機構(gòu)，很難保證二者的同步。在本實驗中采用的儀能很好的滿足上述要求。如圖4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，通過一系列機構(gòu)帶動外圓環(huán)以2轉(zhuǎn)動。探測器放置在外圓環(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的變化。入射光線探測器內(nèi)圓臺外圓環(huán)樣品入射光線探測器內(nèi)圓臺外圓環(huán)樣品Fig.4儀示意圖探測器即為普通的硅光電池。探測到的光強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

A/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)計算機采集并分析之后能直接獲得棱鏡的耦合角。從而可以根據(jù)公式計算導(dǎo)膜的有效折射率。測量軟件的計算機界面如圖5所示：Fig.5m-line實驗曲線2．具體操作本實驗全部由軟件控制，以下就軟件控制實驗過程說明如下：1．首先將棱鏡自準(zhǔn)，確定馬達(dá)打開后棱鏡向角度減小方向轉(zhuǎn)動；2．輸入棱鏡折射率。若回車則表示采用缺省值1.750；3．屏幕顯示命令鍵定義，回車則進(jìn)入下一步；4．按“s”