Способ измерения параметров мод планарных оптических волноводов и устройство для его осуществления

 

Использование: в оптике и интегральной оптике для определения физических характеристик материалов оптических волноводов или структур, обладающих волноводным эффектом. Сущность изобретения: способ предусматривает одновременное определение эффективного показателя преломления волноводных мод и оптических потерь по измеренному углу возбуждения, контрасту m-линии к ее угловой ширине. Устройство включает источник излучения, поляризатор, фокусирующий элемент, призменный элемент связи на поворотном столе, блок регистрации углов, выполненный в виде фотоприемной линейки, регистрирующей распределение интенсивности в фокальной плоскости объектива, через который проходит отраженный от основания призмы пучок. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к оптике, интегральной оптике и может быть использовано для определения физических характеристик материалов, используемых в качестве оптических волноводов или структур, обладающих волноводным эффектом.

Известен способ определения эффективного показателя преломления (ЭПП) планарных волноводов n_b по углу резонансного возбуждения, который определяется по положению так называемых светлых m-линий при возбуждении волновода в торец с помощью призменного элемента связи (ПЭС) [1].

Известно устройство, состоящее из источника монохроматического света, поляризатора, фокусирующего элемента, ПЭС, блока измерения угла выхода излучения из образца. Абсолютная погрешность, точность измерения ЭПП не хуже 10^-4 [1].

В ходе измерений необходимо соблюдать определенные условия возбуждения волновода, чтобы избежать влияния призмы: добиваться максимально возможного значения величины зазора между призмой и волноводом (в многомодовых волноводах для мод низкого порядка выполнить это практически невозможно), либо подбирать соответствующим образом показатель преломления (ПП) материала призмы n_p или ПП вещества n_c, находящегося в зазоре между призмой и волноводом для каждого значения n_b. Это усложняет процесс измерения, однако в противном случае точность измерения ЭПП будет значительно хуже 10^-4.

Другие параметры волноводов этим способом и устройством определить нельзя.

Известен способ определения ЭПП по величине угла резонансного возбуждения, соответствующего положению темных m-линий в отраженном пучке. Положение темной m-линии фиксируется на экране [2].

Известно устройство для определения ЭПП, содержащее источник монохроматического излучения, поляризатор, фокусирующий элемент, ПЭС, блок измерения угла возбуждения [2]. Точность определения ЭПП не хуже 10^-4 при условии, если устранено влияние призмы (выбран минимальный зазор или для каждого конкретного n_b подобраны n_p и n_c, т.е. ограничения такие же, что и выше). Единственным измерением ЭПП ограничена область применения этих способа и устройства.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ определения ПП по углу возбуждения волноводных мод ϕ_min, соответствующему положению темной n-линии, пересекающей пучок света, отраженного от границы раздела волновод-призма [3] , и устройство для измерения ЭПП, содержащее источник монохроматического излучения, поляризатор, фокусирующий элемент, ПЭС на поворотном столе и блок измерения угла выхода излучения из образца, с помощью которого определяется угловое положение m-линии [4]. Абсолютная погрешность измерения ЭПП при этом не хуже 10^-4. Однако ввиду того, что n_bопределяется данным способом, исходя из геометрической модели зигзагообразного распространения света в волноводе, а не из решения реальной электродинамической задачи его возбуждения с помощью ПЭС, истинное значение ЭПП существенно отличается от измеренного. Подтверждением тому могут быть наблюдаемые в ряде случаев на практике факты, когда определяемое данным способом значение высшей моды меньше ПП подложки, хотя при этом наблюдается волноводное распространение света, т.е. точность определения ЭПП хуже 1˙ 10^-4. Последнее также объясняется влиянием призмы на волновод (фактически измеряет ЭПП структуры волновод-призма). Устраняется это так же, как и в предыдущих случаях, подбором n_p и n_c под конкретное значение n_b, либо преломляющий угол призмы β выбирается таким, чтобы для данной моды угол ϕ_min = 0. Все это усложняет и затрудняет процесс измерения, а для многомодовых волноводов эти условия выполнить невозможно для всех мод, что приводит к существенным ошибкам в определении ЭПП.

Данное устройство и способ удобны в обращении и эксплуатации, позволяют измерить с определенной точностью ЭПП, однако этими измерениями применение данного способа и устройства ограничено.

Целью изобретения является повышение точности измерения эффективности показателя преломления за счет учета влияния призмы при одновременном определении потерь волноводных мод.

Цель достигается тем, что в способе измерения параметров мод планарных оптических волноводов, заключающемся в возбуждении волноводной моды с помощью ПЭС и измерении углового положения минимума интенсивности ϕ_min, дополнительно измеряют угловую ширину минимума интенсивности, максимальное I_max и минимальное I_min значения интенсивности в регистрируемой картине, а эффективный показатель преломления n_b и потери γ для данной волноводной моды определяется из выражений n_в= n_рsin[β-arcsin(n_c/n_р×sinϕ_min)] -n(δ²-1)/(δ²-1) (1) γ = 2 x 10⁵ К_о n'' lg e (дБ/см), (2) где Δ n = L ω/2A^-1/2, n" = P |Δ n| (1+ δ²)/8 δ, L = cos ϕ_min x (cos β + sin β x sin ϕ_min x (n_p² - sin² ϕ_min)^-1/2, δ= n²_s-n/n²_p-n параметры Р и А определяются величинами Δ ϕ и I_max, I_min из выражений I_max = I_oe[1-P/(A/4y+B²)].

I_min = I_o(1-P/B²); β - преломляющий угол призмы; n_p, n_s, n_c - показатели преломления призмы, подложки и окружения соответственно; К_о - волновое число вакуума; λ - длина волны излучения, мкм; y = ω /Δ ϕ; ω - угловая ширина пучка, измеряемая по уровню е^-1.

Цель достигается также тем, что в устройство для измерения параметров мод планарных оптических волноводов, содержащее источник монохроматического излучения, расположенные по ходу излучения поляризатор, фокусирующий элемент, призменный элемент связи на столе, выполненном с возможностью поворота, блок регистрации угла выхода луча из образца, введен объектив, установленный по ходу излучения за ПЭС, блок регистрации выполнен в виде линейки фотоприемников, установленной в фокальной плоскости объектива, а фокусирующий элемент установлен на расстоянии от входной грани призмы меньшем, чем его задний фокальный отрезок.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из источника 1 монохроматического излучения, поляризатора 2, фокусирующего элемента 3, ПЭС 4 на поворотном столе 5, объектива 6, линейки фотоприемников 7 оптоэлектронного блока 8 преобразования сигнала, сопряженной с отсчетным устройством угла (на фиг.1 не показано) и ось вращения которой совмещена с осью вращения поворотного стола, блока 9 регистрации, а - исследуемый волновод.

Оптоэлектронный преобразователь, состоящий из фотоприемной линейки и электронного блока, регистрирует распределение интенсивности в фокальной плоскости объектива 6. Это достигается определенным взаимным расположением элементов 6 и 7. Расстояния между ними выбрано такими, что при работе в параллельных лучах в плоскости рабочей поверхности фотоприемников образуется световое пятно наименьшего диаметра.

На фиг.2 приведена картина углового распределения интенсивности в плоскости линейки фотоприемников, поясняющая предлагаемый способ измерения, где Δϕ - ширина минимума интенсивности; ϕ_min - его угловое положение; ω - угловая ширина пучка, измеренная на уровне e^-1.

Проведение измерений по предлагаемому способу можно объяснить из следующих соображений.

Отраженное от призмы излучение может быть представлено в виде интеграла Фурье: Ψ= dk dk_yR(k_x, k_y)(k_x, k_y)e (3) где R - коэффициент отражения от призмы; - фурье-образ падающего на призму пучка; g - действительная функция указанных аргументов.

После прохождения ограниченного пучка через линзовую систему (фиг.1) в параксимальной области фокальной плоскости системы формируется распределение интенсивности: I(xʹ, yʹ)= IR(Q,ϕ)(Q,ϕ) где Q = α x, ϕ = α y, α - коэффициент, зависящий от увеличения системы. Для возбуждающих пучков, обладающих симметрией на оси х = х' = 0, получаем:
I(yʹ)= IR(ϕ)(ϕ) При возбуждении волновода гауссовым пучком и реализации условия слабой связи призмы с волноводом
exp-2 1 получаем (ϕ)=exp[-(Δϕ/ω)²]
R=1-P/(A²+B²)
A=0,5ΔϕA=(n_z-n_в)/n+(1-δ²)/(1+δ²)
P=4Snʺ/n (4)
B = S + P/4S, Aʹ=L/n (5)
L=coscosβ+sinβsinϕ_min/ (6)
δ= , S = 2δ/(1+δ²)
n_z= -sinϕcosβ+ sinβ (7)
Минимальное значение квадрата модуля R достигается именно при углах ϕ = ϕ_min, при этом А (ϕ_min) = 0. Тогда из (4) с использованием выражения (7) при условии А (ϕ_min) = =0 получаем:
n_в= n_psin[β-arcsin(n_c/n_p×sinϕ_min)] -n(δ²-1)/(δ²+1) Из выражения (5) следует:
nʺ=Pn4S откуда
γ = 2 x 10⁵ K_on"lg e.

С учетом выражений (6) и (3) при ϕ= ϕ_min получаем:
I_max = I_oe^-1/y [1-P/(A²/4y+B²), (8)
I_min = I_o(1-P/B²), (9) где y = (ω/Δϕ)², I_o, I_max, I_{min (}см.фиг.2),
A=y-B²+(1+y)P/2+ (10)
Пользуясь измеренными значениями I_max, I_min, Δ ϕ, W и ϕ_min, из уравнений (8)-(10) рассчитываются Р и А, после чего из (1) и (2) находятся параметры мод.

Таким образом, можно одновременно определить ЭПП, его изменение Δn, обусловленное влиянием призмы, и потери в волноводе.

Пример конкретного выполнения.

Измерение параметров тонкопленочных волноводов осуществляли на установке, собранной на базе гониометра ГС-5. В реальном устройстве блок измерения угла выхода луча из образца выполнен в виде оптоэлектронного преобразователя, линейка фотоприемников которого помещена на кронштейне на расстоянии 0,7 м от выходной грани ПЭС, ось вращения ее совмещена с осью вращения поворотного стола с ПЭС и сопряжена с отсчетным устройством гониометра. Информацию с преобразователя снимали с помощью осциллографа. Размер ячейки фотоприемной линейки 20 мкм. В качестве объектива использован объектив зрительной трубы гониометра. Линейку фотоприемников располагали на оптической оси зрительной трубы на таком расстоянии, чтобы картина, формируемая в фокальной плоскости объектива, проецировалась окуляром Гаусса (f = 27,3) на рабочую поверхность фотоприемников. В качестве источника монохроматического излучения использовали Не-Ne-лазер с длиной волны λ= 0,6328 мкм. ПП материала ПЭС n_p = = 1,74970, преломляющий угол призмы β = = 60,6094^о.

В качестве фокусирующего элемента использован объектив с f = 1,01 м.

Измерение ЭПП и потерь в волноводе проводят следующим образом. Определяют угловое положение минимума интенсивности - угол ϕ_min, с помощью оптоэлектронного преобразователя измеряют I_max, I_min (фиг.2) и угловую ширину минимума Δ ϕ и по формулам (1), (2) определяют n_b и γ.

Результаты измерений для тонкопленочных кварцевых волноводов 1, 2 и эффузионного волновода в стекле ЛК6 (N 3) приведены в таблице.

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров мод планарных оптических волноводов, заключающийся в возбуждении волноводной моды посредством призменного элемента связи и измерении углового положения минимума интенсивности ϕ_min , отличающийся тем, что дополнительно измеряют угловую ширину Δ ϕ минимума интенсивности, максимальное I_max и минимальное I_min значения интенсивности в регистрируемой картине, а эффективный показатель преломления n_b и потери γ для данной волноводной моды определяются из выражений
n_в=n_рsin[β-arcsin(n_c/n_р×sinϕ_min)]-n(δ²-1)/(δ²-1)
γ = 2·10⁵ K_onʺ lg e, дБ/см где Δn = LW/2A^-1/2; nʺ=Pn(1+δ²)/8δ;
L = cosϕ_min×(cosβ + sinβ×sinϕ_min×
×(n_p ² - sin²ϕ_min)^-1/2 ;
δ=n²_s-n/n²_p-n
параметры P и A определяются величинами Δ ϕ и I_max , I_min из выражения I_max = I_oe[1 - P / (A / 4y + B ²)] ,
I_min = I_o(1 - P / B ²) ;
β - преломляющий угол призмы;
n_p, n_s, n_c - показатели преломления призмы, подложки окружения соответственно;
k₀ - волновое число вакуума;
λ - длина волны излучения, мкм;
y = ω / Δ ϕ ; ω - угловая ширина пучка, измеряемая по уровню е^-1.

2. Устройство для определения параметров мод планарных оптических волноводов, содержащее источник монохроматического излучения, расположенные по ходу излучения поляризатор, фокусирующий элемент, призменный элемент связи, установленный на столе, выполненном с возможностью поворота, а также блок регистрации угла выхода луча из образца, отличающееся тем, что в устройство введен объектив, установленный по ходу излучения за призменным элементом связи, блок регистрации выполнен в виде линейки фотоприемников, установленной в фокальной плоскости объектива, фокусирующий элемент установлен на расстоянии от входной грани призменного элемента связи меньшим, чем его задний фокальный отрезок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3