《光电探测与微弱信号处理》课程论文精要.doc

《光电探测与微弱信号处理棱镜耦合法测光波导参数 摘要：本文简述了光波导的发展，简要介绍了测量薄膜参数的几种方法。概述了光波导的电磁理论基础、介质平板波导理论和棱镜耦合原理。简要的总结了棱镜耦合测量波导参数的优点。测量了聚合物波导薄膜的厚度和有效折射率。 关键词：光波导 棱镜耦合 薄膜参数 引言 随着知识经济的到来，人们迫切要求掌握尽可能多的信息量，因此对通信速率提出了更高的要求，光纤通信应运而生。在９０年代更是得到了跳越式的发展。虽然近几年光纤通讯进入了阶段性的低谷，但人们对它的热情依然未减，各种新想法、新概念层出不穷。近期，自动交换光网络和光纤到户成为了研究热点。这些新想法、新概念的 实现都离不开各类光电子器件的支持。 几种常见的薄膜参数测量方法 薄膜技术是当前材料科技的研究热点，特别是纳米级薄膜技术的迅速发展， 精确测薄膜厚度及其折射率等光学参数受到人们的高度重视。无论是在实验室中还是工业领域，薄膜厚度和折射率测量都是一项很关键的技术。由于薄膜和基底材料的性质和形态不同，如何选择符合测量要求的测量方法和仪器，是一个值得认真考虑的问题。每一种测量方法和仪器都有各自的使用要求、测量范围、精确度、特点及局限性。 椭圆偏光法 椭圆偏光法是用椭圆偏振光束投射到样品表面，观测反射光束偏振状态的 改变，从而定出样品上薄膜层厚度和折射率。在各种已有的测定薄膜厚度的方法 中，椭圆偏光法是能测薄膜最薄和测量精度最高的一种，应用范围很广，在半导体 工业，金属工业和生物学方面也有广泛用途。其测量原理图如图所示。 偏仪测试系统基本光路原理图 椭圆偏振法存在一个膜厚周期以，在一个膜厚周期内，椭偏法测量膜厚有确定值。若待测膜厚超过一个周期，膜厚有多个不确定值。虽然可采用多入射角或 多波长法确定周期数，但实现起来比较困难。因此，椭偏法适合于透明的或弱吸收的、各向同性的、厚度小于一个周期的薄膜，也可用于多层膜的测量。 干涉法干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度和折 射率的。根据光干涉条纹方程，对于不透明膜 对于透明膜 ｑ为条纹错位条纹数，ｃ为条纹错位量，ｅ为条纹间隔。因此，若测得ｑ，ｃ，Ｐ就可求出薄膜厚度ｄ或折射率疗。 干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且适用于双折 射薄膜。一般来说，不能同时确定薄膜的厚度和折射率，只能用其它方法测得其中一个量，用干涉法求另一个量。另外，确定干涉条纹的错位条纹数印比较困难，对低反射率的薄膜所形成的干涉条对比度低，会带来测量误差，而且薄膜要有台阶，测量过程调节复杂，容易磨损薄膜表面等，这些都对测量带来不便。最小偏向角法从光密媒质ｎ射向光疏媒质，且入射角大于全反射角时，在两层介质的界面上会发生全反射，这时入射光的能量全部被反射。光波导就是利用这一性质制作而成，光密媒质被光疏媒质包覆在中央，在一定条件下光能量就能被限制在光密媒质中传输。光波导包括具有圆形截面的波导以及平板波导、条形波导等。 棱镜耦合法 棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，将入射光导入被测薄膜，检测和分析不同入射角的反射光，确定波导导模耦合角，从而求得薄膜厚度和 折射率的一种接触测量方法。近年来 随着 光通信技术 的发展 ，集成光 器件 的研究引 起了人们越来 越多 的兴 趣 ，而光波导薄膜是光器件的基础 ，掌握和控制薄膜的光学参数是制造优质薄膜的保证 波导薄膜 最重要的两项参数是薄膜的折射率和厚度．棱镜耦合法由于测量精度高、实验装置简单、测试方便快捷等优点，在实验室里非常受欢迎介质平扳波导结构 介质平板波导的结构如图２所示，它由三层材料组成。中间一层波导薄膜，它淀积在折射率为的衬底上，薄膜上层是折射率的覆盖层（或称包层）。薄膜的厚度一般为微米量级，可与光波长相比较。 平板光波导的线光学模型 平板光波导的线光学模型的基础为全反射，为此我们首先来回顾一下几何光学的几个重要公式。考虑图所示的一分界面，其两侧的折射率分别为，的两种 无损耗、各向同性的均匀介质。 折射率为ｎｌ和ｎ２的两介质间的分界面 由嵋介质向分界面入射一相干光波，其波阵面法线与分界面法线成只角。一般说来，具有复振幅Ａ的光在分界面上，一部分被反射，一部分被折射。根据斯奈尔（Ｓｎｅｌｌ）定律，折射光的出射角岛（即通常所说的折射角）由下式给出： 反射光具有复振幅Ｂ，在分界面处它与Ａ通过反射系数ｒ成线性关系： 反射系数的大小取决于入射角和光的偏振念，由菲涅耳公式给出。对ＴＥ偏振（即 电场垂直于波阵面法线和分界面法线构成的入射面），则有 对于ＴＭ偏振（即磁场垂直于入射面），相应的公式为： 临界角由下式给出： 若c，则光只有部分被反射，ｒ取实数，一旦入射角超过临界角（c），于是发生光的全反射。这时反射光产生相移，ｒ取