Главная | Обратная связь

ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ХВИЛЕВОДІВ

1. МЕТА РОБОТИ:визначення показника заломлення, товщини та оптичних втрат в оптичних хвилеводах.

 

2. ПРИЛАДИ ТА МАТЕРІАЛИ: зразки оптичних хвилеводів на основі халькогенідної системи As-S-Se (свіжоприготовлені, опромінені і відпалені), установка на базі МДР-3 для виміювання пропускання.

3. Теоретичні питання, знання яких необхідне для виконання лабораторної роботи.

а) структура оптичного хвилеводу, хвилеводні моди;

б) основні методи одержання діелектричних хвилеводів: їх переваги та недоліки, області застосування;

в) принципи оптичного зв’язку ; поперечні і поздовжні з’єднувачі;

г) зв'язок з хвилеводом, плівково-волоконні зєднувачі, зєднувачі багатошарових планарних хвилеводів;

д) методи визначення основних параметрів оптичних хвилеводів;

е) вимірювання хвилеводних втрат. Втрати в оптичних хвилеводах: абсорбційні втрати, втрати за рахунок розсіювання та радіаційні втрати.

 

4. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ І МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ РОБОТИ.

 

Найбільш важливі характеристиками хвилеводів є товщина, показник заломлення, затухання (оптичні втрати) та ефективний показник заломлення N=β/κ.

Основним методом вимірювання товщини хвилевода є метод голки та інтерференційні вимірювання. В методі голки (рис.1) напівсферичний кінець алмазної голки протягується через профіль хвилевода, рух голки електрично детектується, підсилюється та записується.

Рис.1. Метод голки для вимірювання товщини

і профілю оптичного хвилеводу

 

Такі виміри дають високу точність з одночасною перевіркою профілю зразка. Інтерференційні вимірювання проводяться на пропускання і відбивання. В обидвох випадках вимірюється оптична різниця ходу і, якщо відомий показник заламлення, визначається товщина, або навпаки. При вимірюваннях на пропускання відносний зсув Δ інтерференційної смуги поперечно-ступінчатого переходу плівка-підкладка для плівки товщиною d рівний Δ = ( n_п – n_о)∙d/λ, де λ - довжина хвилі у вакуумі, n_п – показник заломлення плівки, n_о – показник заломлення навколишнього середовища. При вимірюваннях на відбивання, для того щоб збільшити контраст інтерференційної картини, на зразок наносять шар з високим коефіцієнтом відбиваня. Для вимірювання показника заломлення використовують еліпсометричні, рефрактометричні методи та метод Ейбелса.

Рефрактометр Аббе дуже практичний для вимірювання показника заломлення об’ємних зразків і тонких плівок. На рис.2. показаний основний елемент такого приладу. В зразок вводиться неколімарний пучок світла, який проходячи через призму, буде виходити з неї під довільними кутами α до максимального значення кута

α = arcsin (n₁/n₀ ) ∙ arcsin [arcsin (n₂/n₁) – δ], (1)

 

який відповідає куту повнішнього внутрішнього відбивання світла від межі поділу призма-підкладка (β =90^°). Межі вимірювання показника заломлення залежать від показника заломлення призми і її геометрії. Промислові прилади дозволяють вимірювати показники заломлення від 1.25 до 1.70 з точністю 0.001. В методі Ейбелса показник заломлення плівки визначається через кут Брюстера для плівки. Як від підкладки з плівкою, так і від чистої підкладки вимірюється

Рис. 2. Рефрактометр Аббе.

відбивання як функція кута падіння для світла лінійно-поляризованого в площині падіння. Очевидно, що кут Брюстера для плівки є точка перетину двох отриманих кривих. Показник заломлення плівки дорівнює тангенсу цього кута.

Якщо показник заломлення і товщина плівки відповідають умовам розповсюдження оптичної хвилі в ній, тоді найбільш прямим способом одночасного їх визначення є вимірювання ефективного показника заломлення. Найпростіший спосіб визначення N полягає у вимірюванні кута зв’язку для призмового вводу. Для знаходження кута зв’язку вимірюється кут падіння на призму, при якому збуджується дана мода. Величина N для даної моди дорівнює

 

N = n_p sin [A + arcsin (sin i / n_p)] . (2)

Рис3. Схематичне зображення призми, що пояснює ф-лу (2).

 

Таким чином, щоб визначити N необхідно знати крім кута падіння i також кут A між основою і вхідною гранню призми та показник заломлення призми n_р.

Для вимірювання кута за початок відліку приймають нормаль до грані призми. При обробці експериментальних даних необхідно знати також показник заломлення підкладки. Ця величина може бути визначена в процесі вимірювання N. Якщо система призма – плівка повертається на кут, більший ніж кут вводу вищої моди, світло входить в підкладку, і якщо далі збільшувати кут, можна спостерігати промінь, який відбивається від обох граней. Для кута, при якому з’являється такий зв’язок, тобто при якому видно світло, яке виходить з торця підкладки, величина N, визначена з (2.3), буде відповідати показнику заломлення підкладки.

ВИМІРЮВАННЯ ХВИЛЕВОДНИХ ВТРАТ. Для визначення затухання пучків світла, які розповсюджуються в хвилеводах, широко застосовують методи вимірювання розсіяного світла і світла, виведеного з хвилевода. В цих методах світло вводиться в плівку або безпосередньо через торець, або через поверхню плівки за допомогою призми, решітки чи звужоючого краю. При методі розсіяного світла за допомогою фотоприймача з діафрагмою вимірють світло, розсіяне плівкою, і визначають коефіцієнт затухання. При іншому способі проводиться вимірювання затухання введеного світла. За допомою призми виводиться вся енергія світла з врахуванням постійної частки, яка втрачається при відбиванні. Вимірюючи залежність інтенсивності, виведеного призмою, від положення призми на шляху розповсюдження пучка, знаходять коефіцієт затухання. Точність, з якою можна визначити коефіцієнт затухання, визначається похибкою вимірювання потужності випромінювання, поділеного на довжину шляху, вздовж якого проводилися ці вимірювання. Найкращим методом вимірювання затухання є вимірювання перенесеної енергії як функції довжини хвилі.

Інший метод вимірювання хвилеводних втрат полягає у визначеності потужності на вході і на виході з хвилевода. Разом з тим, при використанні цього базового метода виникає багато проблем. Наприклад, втрати, які виникають при зв’язку з хвилеводом, здебільшого невідомі і вони можуть суттево змінювати загальні втрати на см. Крім того, якщо хвилевод є багатомодовим, то втрати, які є притаманні окремим модам, не можна розділити. Для того, щоб обійти дані проблеми, були розроблені різні методи вимірювання втрат. Вибір методу вимірювання втрат залежить від того, який тип хвилеводу використовується, який тип втрат домінує у цьому хвилеводі і якою є очікувана величина втрат.

Один із найпростіших методів вимірювання хвилеводних втрат полягає у фокусуванні світла з вибраною довжиною хвилі на полірований або сколотий торець хвилевода (рис.4) і у визначенні загальної потужності, яка передається хвилеводом. Такий зв’язок часто називають прямим зв’язком. Вимірювання повторюють багатократно на одинакових хвилеводах з різною довжиною. Здебільшого ці вимірювання починають з хвилевода більшої довжини, а потім повторюються на хвилеводі меншої довжини, отриманому шляхом сколу або розрізання і полірування. При цьму необхідно досягти максимальної вихідної потужності при кожному вимірі. Тоді залежність втрат від довжини хвилевода у напівлогарифмічному масштабі буде лінійною. Коефіцієнт втрат можна отримати із співвідношення

 

α = ln(P₁/P₂)/(Z₂-Z₁), для Z₂>Z₁ (3)

 

де Р₁ та Р₂ – потужність на виході з хвилеводів з різною довжиною Z₂ і Z₁.

Розкид точок на рис.5. є спричиненим неодинаковістю втрат, які виникають при зв’язку з хвилеводом, а також юстування зразка. При значному розкиді точок неможливо визначити втрати з необхідною точністю. Однак, якщо точки попадають на одну пряму, то даний ефект свідчить про достатню достовірність, навіть якщо абсолютна величина втрт за рахунок зв’язку є невідомою. Навіть припускаючи, що хвилевід є однорідним, будь-який розкид точок можна зумовлювати похибкою експерименту. Наприклад, на рис.5. збільшення втрат у хвилеводах довших ніж 4 мм зумовлене діафрагмуванням вихідного пучка, коли світло поширюється по боках хвилеводу і не може бути зібраним вихідною лінзою.

 

 

Рис.4. Експериментальна установка для вимірювання

загасання в хвилеводі з використанням прямого зв’язку

Рис.5. Загасання в хвилеводі на основі Ti – дифузійного LiNbO₃

отримане на установці зображеній на рис.5.6.

 

Описаний метод має певні переваги, оскільки він є достатньо простий і точний. Однак, йому притаманні недоліки. Основний недолік полягає в тому, що даний метод є руйнівний, тобто під час вимірювання хвилевід повинен бути розрізаний кілька разів. Крім того неможливо розрізнити втрати різних мод. Саме тому даний метод здебільшого використовують для визначення втрат у напівпрвідникових хвилеводах, які є одномодовими у зв’язку з малою різницею показників заломлення і які можуть легко сколюватися з формуванням торців одинакової якості.

Для визначення втрат кожної з мод багатомодового хвилевода метод, описаний вище, може бути модифікованим з використанням призмового зв’язку (рис.6). спрямовуючи промінь під різними кутами в призму його можна ввести в кожну моду окремо і визначити втрати кожної з мод. У більшості випадків ввідна призма є нерухомою, тоді як вивідна – пересувається по хвилеводу для зміни його ефективної довжини. Дані вимірів обробляються і аналізуються так само як і в попередньому випадку. Для підвищення точності приймач повинен бути розташованим і діафрагмованим таким чином, щоб на нього потрапляло випрмінювання тільки однієї з мод. Якщо не відбувається конверсія мод і все випромінювання є зосередженє в “m” – моді, то вивідна призма може бути заміненою лінзою (так само як у випадку торцевого зв’язку). Тоді пересуватись повинна ввідна призма для зміни ефективної довжини хвилевода. Однак, якщо немає впевненості, що конверсія мод є незначною, то необхідно використовувати дві призми. Використання вивідної призми є зручним для визначення наявності конверсії мод, оскільки у даному випадку спостерігається розщеплення ліній різних мод.

Рис.6. Експериментальна установка для вимірювання

загасання в хвилеводі з використанням призмового зв’язку.

 

Хоч для визначення втрат різних мод призмовий зв’язок є придатнішим, ніж повздовжній зв’язок, однак він є менш точним, оскільки практично неможливо при кожному вимірі встановити призму у положення з одинаковими втратами, які відбуваються за рахунок зв’язку.

Вище наведеними методами не вдається відрізнити тип втрат, тобто не вдається визначити з яким механізмом пов’язані хвилеводні втрати – поглинанням, розсіянням чи радіацією. Оскільки розсіяне світло покидає хвилевід у напрямках, які відрізняються від напрямку, у якому світло поширюється у хвилеводі, то можна окремо поміряти величину розсіювальних втрат, досліджуючи розсіювання в межах вихідної апертури. Одним з найпридатніших фотоприймачів для даної мети є фотодіод на p-n переході зв’язаний з оптичним волокном, яке використовується для збирання випромінювання, розсіяного хвилеводом. Здебільшого волокно встановлюється у правому куті хвилевода і пересувається вздовж нього. Таким чином можна отримати залежність розсіяної оптичної потужності від довжини хвилевода. Втрати можуть бути пораховані з даного графіка так, як це робилось в попередніх випадках. Даний метод базується на припущенні, що центри розсіювання однорідно розподілені по хвилеводу і інтенсивність розсіяного світла в поперечному напрямку є пропорційною до кількості центрів розсіювання. В такому випадку не виникає потреба збирати все розсіяне світло. Необхідно лише щоб апертура фотоприймача була постійною. При використанні оптичного волокна необхідно забезпечити постійну відстань між торцем волокна і поверхнею хвилевода для отримання постійної апертури приймача.

Як і у випадку вимірювань втрат за допомогою повздовжнього чи призмового зв’язку, при вимірюванні розсіювальних втрат, розкид точок навколо лінійної залежності є ознакою точності проведення експерименту. У випадку, якщо в хвилеводі присутні хаотично розташовані великі центри розсіювання або якщо розсіювання є неоднорідним, експериментальні точки не лягятимуть на пряму. Даний метод вимірювання є придатний для вимірювання відносно великих розсіювальних втрат. Якщо розсіювальні втрати є меншими ніж 1 дБ/см, то даний метод вимірювання є непридатним через низьку інтенсивність розсіяного світла, яке повинно фіксуватися приймачем. Так само, для випадку вимірювання втрат, здійсненому або за допомогою призми, або циклічного зв’язку, ступінь коливань експериментальних точок відносно прямій лінії є надійним показником точності експерименту.

Оскільки втрати за рахунок розсіювання є домінуючими у діелектричних тонкоплівкових хвилеводах, то для вимірювання втрат у таких хвилеводах в основному використовується описаний метод. При цьому здебільшого припускається, що втрати визначені за допомогою сканування оптичним волокном є загальними втратами, а втрати за рахунок поглинання та радіації нехтується. В напівпровідникових хвилеводах де втрати за рахунок поглинання є більш суттєвими, даний метод використовується для визначення втрат за рахунок розсіювання. Разом з тим, це забезпечує визначення загальних втрат у хвилеводі.

 

Х І Д Р О Б О Т И

 

І. Визначення товщини та показника заломлення діелектричного хвилеводу.

 

а) в присутності інженера включити живлення ФЕП, джерела випромінювання і вивести їх на робочий режим; від’юстувати установку на базі монохроматора МДР – 3 для вимірювання пропускання (рис.7);

 

 

. (2.2)

Рис.7. Принципова схема експериментальної установки для оптичних досліджень. 1 – джерело світла. 2 – конденсор.

3 – модулятор, 4 – монохроматор, 5 – фокусуюча лінза, 6 – зразок у кріостаті, 7 – компаратор, 8 – фотопомножувач,

9 – підсилювач (мікровольтметр), 10 – АЦП(Аналогово-цифровій перетворювач), 11 – ПЗ(програмне забезпечення), 12 – LTP-порт, 13 – контролер крокового двигуна, 14 – Блок живлення

 

б) провести вимірювання інтенсивності світла, яка проходить через хвилевід і розрахувати пропускання Т = І_о/І, де І_о і І_о інтенсивність світла без зразка

і з ним (оптичного хвилевід) в залежності від довжини хвилі випромінювання;

 

в) отримавши інтерференційну картину (рис.8), визначити необхідні еличини для проведення розрахунку показника заломлення і товщини слідуючим ином:

 

Рис.8. Криві пропускання і відбивання світла плівкою на підкладці KBr

 

визначити з експериментальної інтерференційної картини для досліджуваного хвилеводу величини T_M і T_m − інтерференційні максимуми та мінімуми спектрів пропускання в області довжин хвиль, де відсутня дисперсія показника заломлення обчислити величину показника заломлення хвилеводу за допомогою формули:

 

, (1)

де

. (2)

В цих виразах s − показник заломлення підкладки. Для визначення товщини хвилеводу можна використати наступне співвідношення:

 

d = [4n (ν_м+1 – ν_м)] ^-1 , (3)

де ν_м+1 і ν_м сусідні екстремуми на залежності Т(λ).