Способ исследования планарного оптического волновода Советский патент 1983 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к оптичёс- КИМ измерениям и мржет быть примене но как для исследования пленарных оптических волноводов (с постоянным или переменным показателем преломления в волноводном слое), так И для физических исследований тонких ди-. электрических слоев (с постоянньом или переменным показателем преломления) на диэлектрических подложках, имеющих коэффициент преломления меньздий, чем коэффициент преломления в . слое. .

Известен способ определения параметров волноводов путем математической обработки результатов измерений эффективных показателей преломления для направляемых волноводных мод 1 .

Однако этот способ требует изготовления специальных устройств для ввода (вывода) .излучения, тщательной коллимации вводимых пучков, обеспечения параллельности рабочей грани призменногй элемента связи и поверхности -волновода при сохранении опредетенного постоянного зазора между irpaHbra iri поверхностью волновода, предъявляют высокие требования к

плоскости рабочей грани призмы и поверхности волновода.

Известен Также способ исследования пленарного оптического волновода, включающий создание оптического контакта между поверхностью волноводного слоя и одной гранью призмы, освещение другой призмы неполяризованным светом, измерение за треть10ей гранью призмы углового распределения интенсивности излучения, испытавшего полное внутреннее отражение от подложки волновода, и вычисление по угловому распределению параметров

15 волновода 2J . . .

Однако указанный способ имеет больuiyto трудоемкость и недостаточную точность измерений..

Цель изобретения - упрощение спо20соба, .

Указанная цель реализуется тем, что на освещаемой грани призмы свет рассеивают, -выходящее из третьей грани излучение поляризуют, а измерение проводят путем определения интерференционных минимумов его пространственного фурье-спектра.

Кроме того, оптический контакт создают по всей общей площади контак30тирующих поверхностей, причем оптический контакт создают средой, имеющей показатель преломления, на рабочей длине волны меньше или равный показателю преломления призмы, но больше или показателю преломления волноводного слоя у его поверх ности. При этом призму освещают светом с длиной когерентност } порядка толщи ны волноводного слоя, , На фиг. 1 показана оптическая схе ма устройства для реализации способа и ход интерферирующих лучей для тонкоплечного волнов 6даг на фиг. 2 ход интерферирующиклучей для волноводов с переменным показателем преломления,. Устройство содержит призму 1, вол новодный слой 2, подложку волновода 3, входную матированную грань 4, рабочую грань 5, выходную грань 6, уст ройство для визуального контроля или измерения углового распределения интенсивности параллельных пучкоВ излучения с требуемой поляриг щией 7 и слой жидкости 8. В устройстве буквами О и Ь обозначены два произволь|НЫХ. луча. Интерферируют пары лучей QI, UQ 1 Ъ4,Ь. Матированная грань 4 призмы 1, прозрачной для рабочего интервала длин волн, освещается пучком неполяризованного излучения с требуемым спектральным составом. .В оптическом контакте с рабочей гранью 5 призмы находится волноводный слой 2, приготовленный на подложке 3, Показатель преломления призмь больше показателя преломления волноводного слоя. Угол oL призмы выбран таким, чтобы обеспе™ чивать выход из грани б лучей,подающих на грань 5 под углами, большими критического угла полного внутреннего отражения для границы сред призма - подложка. За выходной гранью б призмы расположено устройство 7 для . визуального контроля или измерени-я углового распределения интенсивности параллельных пучков излучения с требуемой поляриза1цией, например, для электрического вектора волны, параллельного плоскости падения (ТМволны), или для электрического вектора ролны, перпендикулярного плоскости падения (ТЕ-волны), Устройство 7 обеспечивает исследование пространственного фурья-спектра излучения отраженного от области оптического контакта призмы с волноводом и прошедшего выходную грань 6 призмы. Матирование входной грани обеспечивает наличие .большого числа лучей, падаю щих на рабочую грань под углами, бол шими критического угла полного внут реннего отражения для границы сред призма - подложка волновода. Большая . площадь оптического контакта и испол зование устройства, фиксирующего интенсивность -всех , выходящих из грани 6 под фиксированным углом f к ее нормали, увеличивает КПД схемы по световому потоку. Длина когерентности источников излучения не должна быть значительно меньше оптической разности хода интерферирующих лучей. Оптический контакт рабочей грани призмы и-волноводного слоя может быть осуществлен, например, с помощью тонкого слоя 8 иммерсионной жидкости, показатель преломления п которой удовлетворяет неравенство п(0) , где Пр - показатель преломления призмы; п ( т показатель преломления волноводного слоя у его поверхности (для тонкопленочного волновода. П(0)П|) . . В качестве устройства 7 может быть использована оптическая схема,включающая, например, поляризатор, объектив и -фотоприемник, расположенный в фокальной плоскости объектива и имеющий приемную площадку в виде узкой щели, параллельной направлению интерференционных полос равного наклона. При описанных выше условиях освещения грани S осуществляют такой диапазон углов падения , при котором лучи испытывают полное внутреннее отражение от подложки волновода, но еще не испытывают такого отражения на поверхности волноводного слоя. При углах падения , где sin. (0)/Пр, лучи, отраженные от обеих границ тонкопленочного волновода или от передней границы и в толще волноводного слоя для волновода переменными показателями преломления,интерферируют, что приводит к появлению интерференционных минимумов в .пространственном фурье-спектре отраженного излучения, с помощью устройства 7 определяют углы выхода V , для которых наблюдаютсяЭТИ минимумы. Углы выхода p. с язаны с углами падения Е тех же Яучей на грань 5 соотношением Ч -arcsivT CupSih (.6.-° () где .cL-- преломляющий УГОЛ призмы, показанный на фиг, 1, Определение параметров волноводов по предлагаемому способу исследоваг ния требует знания только трех величин: преломляющего угла призмы, показателя преломления призмы, углового положения интерференционных минимумов , В процессе исследования определяется только последняя величина, причем ее определение может выполнено известными методами с высокой точностью.

По величине If jj с помощью соотношедмя (1) определяют величину

.1ж Ирв1П& и-%(0)(0),

где , 1,2,...;

угол преломления (фиг. 1 и Используя математическое выражение, свяэывакяцее величины парайетрами волновода, по набору экспериментальных значений Пуу, известными методами рассчитывают параметры волновода.

Одним из вариантов реализации . предлагаемого способа является применение рефрактометров типа рефрактометров Аббе. |Как Hi; при обычных рефрактометрических измерениях, вхоная грань измерительной призмы прибора -ос вещаете я в этом случае источником света с белым спектром, одна- ко наблюдение границы областей с раз ньм уровнем освешенности проводится с использованием поляризатораj вводийого между глазом наблюдателя и окуляром .прибора и ориентированного таким образом, чтобы выделить ТМ-поляризацию. Встроенный в прибор компенсатор позволяет устранить различие интерференционных полос, обусловленное дисперсией призмы и волновода, причем компенсация достигается для длины волны, равной длине волны Д-линии натрия, в поле .зрения окуляра в этом случае наблюдаетсй черно-белая интерференционная картина вблизи границы темной и свет лой области, соответствующей полному внутреннему отражению для границ сред призма - подложка волновода. При совмещении визирной линии окуляра с центром узких темных линий от- счетное устройство прибора сразу же :дает величины, соответствующие освещению излучением с длиной волны Д-ли.НИИ натрия. Наблюдение интерференционной картины и подсчета числа темных полос позволяет оценить число мод волновода для Д-дании натрия и другие параметры волновода.

Предлагаемый спосрб не требует какой-либо юстировки образца, особен-: но затруднительной за пределами вйДИМОЙ области спектра, специальных приемов и устройств для освещения

и применим для широкого KJjacca волноводных структур, включая волноводы с малым рассеянием или большим затуханием. Он может быть использован как дЛя физических -исследований, так и для технологического контроля при производстве интегрально-оптических компонентов волоконно-оптических линий связи.

Формула изобретения

1.Способ исследования планарного оптического волновода, эключакшщй создание оптического контакта между

поверхностью во(дного слоя и одной гранью .призмы, освещение другой грани призмы неполяризованным светом, измерение за третьей.гранью призмы углового распределения интенсивности излучения, испытавшего полное внутреннёе от зажение от подложки волновода, и вычисление по угловотлу распределению параметров волновода, отличаю щи и с я тем, что, с целью упрощения способа,- на осваиваемой грани призмы свет рассеивают, выходящее из третьей грани излуче ние поляризуют, а-измерение проводят путем определения интерференционных минимумов его пространственного фурьспектра.

2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что оптический контакт создают по всей общей площади контактирующих поверхностей, примем оптический контакт создаиот средой, имеющей показатель преломления на рабочей Дллине волны меньше или равный показателю прелсялления призмы, но больше или равный показателю преломления волноводного слоя у его по верхности,

3.Способ по п. Д, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что призму освеща ют светом с длиной когерентности порядка толщины волноводного слоя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Интегральная оптика. По ред Тамира. М., Мир, 1978.

2.Appl. Phys .Lett. 1978, №32, 12, p. 819 (прототип).