Призматический соединитель

Призматический соединитель — это призма , предназначенная для передачи значительной части мощности, содержащейся в луче света (например, лазерном луче), в тонкую пленку, которая будет использоваться в качестве волновода , без необходимости точной полировки края пленки. , без необходимости субмикронной точности совмещения луча и края пленки, а также без необходимости согласования числовой апертуры луча с пленкой. При использовании призматического соединителя луч, соединенный с тонкой пленкой, может иметь диаметр, в сотни раз превышающий толщину пленки. Изобретение соединителя способствовало открытию области исследований, известной как интегральная оптика .

История

Теория, лежащая в основе призматической муфты, была впервые опубликована в Советском Союзе . ^[1] Эта работа не была известна в США. Начиная с 1969 года Шуберт, Харрис и Полки в Вашингтонском университете ^[2]^[3]^[4] и независимо Тьен, Ульрих и Мартин из Bell Laboratories. ^[5]^[6]^[7] описал первые эксперименты по соединению призм и лежащую в их основе теорию. Это было сделано с целью применения тонких пленок в устройствах. ^[8]^[9]

Конфигурация

Призматический соединитель используется для передачи мощности падающего лазерного луча в тонкую пленку. Пленка лежит на подложке, такой как предметное стекло микроскопа, и может иметь толщину порядка длины волны падающего света (0,550 мкм для зеленого света). Показатель преломления пленки сделан больше, чем у предметного стекла, пленка может служить диэлектрическим плоским волноводом для света за счет полного внутреннего отражения от границы раздела пленка-стекло (и пленка-воздух). Призматический ответвитель состоит из куба из стекла с высоким показателем преломления и второй тонкой пленки внизу, которая контактирует с волноводной пленкой и выполняет функцию частичного сдерживания направленной волны на расстоянии связи. Тонкая пленка в нижней части призмы называется туннельным слоем . Туннельный слой должен иметь меньший показатель преломления , чем волноводная пленка, и фактически может быть реализован как слой воздуха. Толщина туннельного слоя будет порядка долей длины волны (десятки-сотни нанометров для видимого света).

Призма и туннельный слой прижимаются к волноводной пленке. Луч входит в переднюю грань призмы и попадает в туннельный слой на расстоянии чуть более половины ширины луча от грани, противоположной входной грани призмы. Ранжирование показателей преломления четырех областей комбинированной структуры ответвителя и волновода должно быть следующим: показатель преломления предметного стекла и туннельного слоя должен быть наименьшим, затем следует показатель преломления направляющей пленки, а самым высоким - показатель преломления направляющей пленки. индекс призмы.

Теория

Призменную муфту можно объяснить с помощью теоремы взаимности . Теорема взаимности позволяет вычислить относительную мощность, передаваемую в тонкую пленку падающим лучом, на основе решения обратной задачи. В обратной задаче волноводная мода в пленке (движущаяся влево на первом рисунке) падает на призменный соединитель. За исключением значительного рассеяния на границе призмы, волноводная мода в обратной задаче сохраняет свою форму моды и распространяется под призмой, теряя мощность по мере распространения из-за излучения в призму. Мощность в призме проявляется в виде коллимированного луча под углом, определяемым постоянной распространения волноводной моды и показателем преломления призмы. Излучение в призму происходит потому, что исчезающий хвост волноводной моды касается дна призмы. Волноводная мода туннелирует через туннельный слой.

Эффективное попадание света в пленку происходит, когда падающий луч (приходящий слева, как показано на первом рисунке), оцениваемый на нижней грани призмы, имеет ту же форму, что и излучаемый луч в обратной задаче. Когда мощность как в падающем луче, так и в моде обратного волновода нормирована, дробная амплитуда связи выражается как интеграл по произведению падающей волны и излучаемого обратного поля. Интеграл представляет собой поверхностный интеграл, взятый по нижней грани призмы. Из такого интеграла мы выводим три ключевые особенности:

Чтобы передать значительную часть падающей мощности, падающий луч должен прийти под углом, который обеспечивает его синхронизацию по фазе с модой волновода.
Поперечное поведение волноводной моды, возникшей в пленке ( поперек направления распространения), будет по существу таким же, как и у падающего луча.
Если толщина туннельного слоя подобрана соответствующим образом, в принципе возможно передать почти весь свет пучка в волноводную пленку.

Подавив поперечную часть представления полей и приняв на рис. 1 направление x влево, волноводная мода в обратной задаче примет монотонно убывающий вид

\exp \left(-\int \alpha (x)\,dx+i\beta _{w}x\right)

где α( x ) — скорость затухания и $\beta _{w}$ – постоянная распространения волноводной моды.

Соответствующее поперечное поле внизу призмы принимает вид

A{\sqrt {\alpha (x)}}\exp \left(-\int \alpha (x)\,dx+i\beta _{w}x\right)

где A — константа нормализации .

Поперечное поле падающего луча будет иметь вид

f(x)\exp(-i\beta _{\text{in}}x)

где f ( x ) — нормированная гауссовая или другая форма луча, а β _in — продольная составляющая постоянной распространения падающего луча.

Когда β _in = β _w , интегрирование

Af(x){\sqrt {\alpha (x)}}\exp \left(-\int \alpha (x)\,dx\right)

дает амплитуду связи. Регулировка α( x ) позволяет связи приблизиться к единице, исключая значительные дифракционные эффекты, зависящие от геометрии.

Примечания

Сдвиг Гуса-Хенхена описывает смещение центральной точки оптического луча, когда он подвергается полному отражению от границы раздела между двумя полубесконечными областями с разными показателями преломления . Смещение обычно порядка длины волны света. Если исследовать отражение луча от сэндвич-структуры, состоящей из полубесконечной призмы, туннельного слоя, слоя волноводной пленки и полубесконечного предметного стекла, то смещение окажется гораздо большим, как следствие возбуждения направляемой волны. Окончание верхней области (призмы) сразу за серединой падающего луча улавливает свет луча в волноводном режиме в пленке.

Возбуждение направляемой волны падающим лучом также можно рассматривать как проблему в связанных модах, причем модами являются волноводная мода и представление падающего луча. Мощность, введенная в одну ветвь структуры со связанными модами, может передаваться в другую ветвь вдоль структуры.

Приложения для измерений

Призматические соединители — это инструменты, используемые для измерения показателя преломления / двойного лучепреломления и толщины диэлектрических и полимерных пленок. Поскольку показатели преломления материала зависят от длины волны , передаваемого электромагнитного излучения монохроматический лазер используется в сочетании с призмой с известным показателем преломления. Лазерный луч направляется через изогнутую сторону призмы и обычно отражается обратно от противоположной стороны в фотодетектор. Однако при определенных значениях угла падения тета луч не отражается обратно, а вместо этого проходит через основу в образец пленки. Эти углы называются «углами моды». Поворотный стол с компьютерным управлением изменяет угол падения лазера . Найденный угол первой моды определяет показатель преломления, а разница углов от одной моды к другой определяет толщину образца.

Призматические соединители также позволяют передавать свет в волновод и из него, не обнажая поперечное сечение волновода (краевое соединение). Общее условие связи из свободного пространства:

\beta _{m}=kn_{1}\sin \theta _{m}

где $n_{1}$ индекс воздуха (~1) и $\beta _{m}$ – постоянная распространения волновода. Чтобы иметь управляемый режим, $\beta _{m}>kn_{1}$ . Это означало бы, что $\sin \theta _{m}>1$ , что невозможно, и, следовательно, именно поэтому для достижения условия синхронизма необходима призма . Требуется условие фазового синхронизма между постоянной распространения m-й моды в волноводе $\beta _{m}$ и падающий свет под углом $\theta _{m}$ нормально от поверхности волновода.

\beta _{m}={\frac {2\pi }{\lambda _{0}}}n_{p}\sin \theta _{m}

где $n_{p}$ – показатель преломления призмы. ^[10]

Ссылки

^ Л. В. Иогансен, Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением III, Сов. Физ. Тех. Физика, вып. 11, стр. 1529–1534, май 1967 г.
^ Дж. Х. Харрис и Р. Шуберт, «Оптимальная передача мощности от луча к поверхностной волне», Conf. Абс., УРСИ Спр. Мтг, с. 71, Вашингтон, округ Колумбия, апрель 1969 года.
^ Дж. Х. Харрис, Р. Шуберт и Дж. Н. Полки, «Соединение лучей с пленками», J.Opt.Soc.Am., т. 60, стр. 1007–1016, август 1970 г.
^ Дж. Х. Харрис и Р. Шуберт, «Переменное туннельное возбуждение оптических поверхностных волн», IEEE Trans. МТТ, стр. 74–91, март 1971 г.
^ PKTien, R.Ulrich и RLMartin, «Режимы распространения световых волн в тонких осажденных полупроводниковых пленках», Appl. Физ. Письма, 14, стр. 291, май 1969 г.
^ П.К. Тьен и Р. Ульрих, «Теория призменно-пленочного соединителя и тонкопленочных световодов», J. Opt. Соц. Являюсь. Т.60, стр. 1325–1337, октябрь 1970 г.
^ Р. Ульрих, «Теория связи призмы и пленки с помощью анализа плоских волн», J. Opt. Соц. Являюсь. Т.60, стр. 1337–1350, октябрь 1970 г.
^ Р. Шуберт и Дж. Х. Харрис, «Оптические поверхностные волны на тонких пленках и их применение в интегрированных процессорах данных», IEEE Trans. МТТ, стр. 1048–1054, против МТТ-16, декабрь 1968 г.
^ С.Э. Миллер, «Интегрированная оптика: введение», Bell Syst. Тех. J., V.48, стр. 2059–2069, сентябрь 1969 г.
^ Р. Хунспергер. Интегрированная оптика . Спрингер. 1995.

[1] Л. В. Иогансен, Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением III, Сов. Физ. Тех. Физика, вып. 11, стр. 1529–1534, май 1967 г.

[2] Дж. Х. Харрис и Р. Шуберт, «Оптимальная передача мощности от луча к поверхностной волне», Conf. Абс., УРСИ Спр. Мтг, с. 71, Вашингтон, округ Колумбия, апрель 1969 года.

[3] Дж. Х. Харрис, Р. Шуберт и Дж. Н. Полки, «Соединение лучей с пленками», J.Opt.Soc.Am., т. 60, стр. 1007–1016, август 1970 г.

[4] Дж. Х. Харрис и Р. Шуберт, «Переменное туннельное возбуждение оптических поверхностных волн», IEEE Trans. МТТ, стр. 74–91, март 1971 г.

[5] PKTien, R.Ulrich и RLMartin, «Режимы распространения световых волн в тонких осажденных полупроводниковых пленках», Appl. Физ. Письма, 14, стр. 291, май 1969 г.

[6] П.К. Тьен и Р. Ульрих, «Теория призменно-пленочного соединителя и тонкопленочных световодов», J. Opt. Соц. Являюсь. Т.60, стр. 1325–1337, октябрь 1970 г.

[7] Р. Ульрих, «Теория связи призмы и пленки с помощью анализа плоских волн», J. Opt. Соц. Являюсь. Т.60, стр. 1337–1350, октябрь 1970 г.

[8] Р. Шуберт и Дж. Х. Харрис, «Оптические поверхностные волны на тонких пленках и их применение в интегрированных процессорах данных», IEEE Trans. МТТ, стр. 1048–1054, против МТТ-16, декабрь 1968 г.

[9] С.Э. Миллер, «Интегрированная оптика: введение», Bell Syst. Тех. J., V.48, стр. 2059–2069, сентябрь 1969 г.

[10] Р. Хунспергер. Интегрированная оптика . Спрингер. 1995.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]