11光波导实验 .doc

光学波导的测试及分析 一、实验目的： （1）了解光学波导的基本结构和功能； （2）了解光学波导的制作过程及工艺； （3）掌握光学波导性能的测试方法。 二、实验设备激光器(=n2/n1 (称为临界角。 图1平板波导的的导波原理图 　　 2、玻璃结构与离子交换机理 玻璃的折射率取决于玻璃单位体积内的离子极化率，所以可以用改变玻璃成分的方法改变它的折射率。通常玻璃的结构可理解为一些不规则的连续网状结构。组成玻璃的物质分为三种，网络构成物，网络中间物，网络修饰物。网络构成物一般为Si02, Ge02, B203, P2O5和AS20等。网络构成物的含量越高，玻璃的转变温度越高。网络中间物不能单独形成玻璃，但可以加强玻璃网络之间的联系,影响玻璃的热学、化学、力学、色散、折射率等物理化学性能。如Al2O3、CaO、MgO等。最后一种网络修饰物与网络残余键的结合相对疏松，可以降低玻璃的转变温度。常见的有Li2O、Na2O、K20、Ag2O等。以硅酸盐玻璃为例，其基本骨架是二氧化硅(Si02)，硅原子和氧原子按硅氧四面体的方式相互结合。在硅氧四面体中，硅的电价已经饱和了，而氧能够同时与两个硅连接在一起。因此硅酸盐玻璃就是以硅氧四面体为基本结构单元，相互间以顶角上的氧原子连接在一起的空间配位网，故硅氧四面体又称为网格生成体。若玻璃中还含有另一些氧化物，它们的氧离子将参加配位网结构，金属离子则无确定位置，占据着网格间的空位。这些氧化物称为网格修饰剂。例如，氧化钠的作用是使两个Si0四面体之间形成环的一个桥联氧离子被两个非桥联的氧离子所代替，造成玻璃结构网的局部中断，同时，钠离子占据在非桥联氧离子的网格间隙中。 由于网格修饰离子与网格的结合是不牢固的，很容易在网格之间发生迁移，与溶液或融盐中的一价碱离子在玻璃表面处发生交换。离子交换可以视作两种或两种以上离子之间的相互扩散，如图2所示。离子交换使折射率增加或减小，由以下两个因素所致。第一个因素与交换离子的原子大小尺寸有关。如果用Li+代替Na+, K+这样的大离子，玻璃网格在小离子的周围发生溃坍，产生相当密集的结构，具有高的折射率;如果用大离子替代小离子，网格膨胀，产生稀疏结构，得到较低的折射率。第二个因素是考虑电子位移极化率。如果用电子位移极化率较大的Ti十Cs+、Ag十、Rb+或K+离子交换电子位移极化率较小的Na+离子，折射率会变大。 图 2 离子交换原理图 3、 棱镜耦合法 图 3 输入耦合 图4 输出耦合 棱镜耦合就是用高折射率的棱镜，将入射光波与波导模进行相位匹配，来实现波导光激励。和分别为输入和输出耦合的结构图。夹具将波导和三棱镜夹在一起，薄膜表面和棱镜之间有一层空气间隙。n0,n1,n2,n3,分别代表玻璃衬底，薄膜，空气，棱镜的折射率θ是波导模的锯齿形光线在薄膜上下界面的入射角（模角），是激光束射入棱镜的入射角。h为薄膜厚度，d为空气间隙的高度。当d足够小，光束以θ角射入棱镜底面，该光束在波导中传播常数β为 为光波在波导薄膜中的波矢，为光在真空中的波矢所以可以写成 当θ大于大于全反射临界角即时，空气间隙中产生的消逝场部分渗透到薄膜中从而激起波导导模 ，形成输入光束。同时，薄膜中导模也在空气中产生消逝场，渗透到棱镜中形成输出光束。调整θ使导模的传播常数等于上式中的值时，到达波导层的消逝波与导模之间相位匹配，产生耦合，从而激励起导光波。此时，棱镜底面不再是全反射，入射光的功率向导波功率转移。 当棱镜耦合器作为输出耦合时，结构图见。输出光的每一个模式，对应不同的入射角。用显示屏或感光器件接收输出光，可以观察到与模式对应的m线。这种图形出现在与被激励起的导模阶数m相对应的方向上 ，它以亮点为中心，在沿与出射面垂直的方向上出现随着与波导距离的变大，其弯曲程度变缓，亮度变暗的条纹。 Meticon Model 2010 Prism Coupler波导分析仪的测量原理就是棱镜耦合原理，棱镜、波导、耦合头及光探测器安装在一个旋转平台上。调整θ使导模的传播常数等于上式中的值时，产生耦合，光探测器探测到的光强明显减小。波导的折射率和厚度通过下式计算得到 和为空气-膜和膜-衬底表面的菲涅尔相位移。 磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃，硼硅酸盐玻璃 图6 端面耦合示意图 光束 衬底 a ( b n1 n2 n1n2 LASER Waveguide θ 输出光束 m线 显示屏 n3 n2 n1 Z n0