CN1605848A - 同时测量平面波导多个光学参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种平面波导技术领域的同时测量平面波导多个光学参数的方法，步骤如下：搭建测量装置；测量被测波导插入前固定反射镜对应的光程和回波损耗；安装被测波导；测量被测波导插入后各个界面对应的光程和回波损耗；计算被测样品折射率和厚度；根据测得各个界面直接反射或界面之间多次内反射对应的光程和回波损耗以及光在各个界面之间多次反射的关系计算出该平面波导的插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数。本发明可同时测量平面波导的多个光学参数，原理简单、容易操作、测量精度较高、不需要繁杂的计算过程，适合于测量各种材料构成的平面波导。该方法对被测样品的表面质量没有影响，尤其适合于测试多层平面波导中每一层的光学参数。

Description

同时测量平面波导多个光学参数的方法

技术领域

本发明涉及一种光学参数的测量方法，具体是一种同时测量平面波导多个光学参数的方法。用于平面波导技术领域。

背景技术

平面波导是一种重要的光导波器件。折射率、厚度、插入损耗、吸收损耗、反射率、漫反射系数等是平面波导的重要光学参数，对波导的传输常数有重要影响。目前测量这些光学参数的方法很多，如椭圆偏振法、M线法、干涉法、双聚焦光纤法。但是这些常用的方法一般都只能测量一个或两个光学参数。为了获得光学平面波导的多个光学参数，往往需要用不同的方法进行多次测量。有些测量方法属于接触式测量，以致在测量过程中很可能破坏波导的表面质量。椭圆偏振法和M线法的测量精度虽然较高，但容易受到测试环境变化的影响，其测量装置和实际操作过程都比较复杂，并且要经过繁杂的计算才能得到测试结果。此外，以上测量方法很难测试多层平面波导中每一层的光学特性。

经对现有技术的文献检索发现，D.Ducharme等人在《Langmuir》2001，17，7529-7534上发表的“Simultaneous thickness and refractive index determination ofmonolayers deposited on an aqueous subphase by null ellipsometry”，(《朗缪尔》，椭圆偏振法同时测量沉积得到的单层薄膜的折射率和厚度)。该文中提及用椭圆偏振法测量单层薄膜的折射率和厚度。该方法的测量精度较高，但测量精度依赖于待测薄膜与已知数学模型的相似性，若二者有较大差异，则测量精度较差。当薄膜折射率与基底折射率相接近，椭圆偏振法同时测得的薄膜厚度和折射率的误差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有平板波导测试技术中的不足，提出了一种同时测量平面波导多个光学参数的方法。使其可以同时简便地测量平面波导的六个光学参数——折射率、厚度、插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数，克服了其它方法只能测量一个或两个光学参数的不足。此外，根据测得的吸收损耗和漫反射系数可以判断波导材料的掺杂情况和介质表面粗糙度。该方法属于非接触式测量，对被测样品的表面质量没有影响，其中对折射率和厚度的测量还属于直接测量，尤其适合于测试多层平面波导中每一层的光学参数。

本发明是通过以下技术方案实现的，方法步骤如下：

(1)搭建测量装置：

该方法的测量装置包括空间迈克尔逊干涉仪、准直器、固定反射镜、精密机械位移装置、光纤以及光电探测器和显示设备。关键技术是准直器与固定反射镜之间的对光，即要求准直器输出的光路垂直于反射镜，以便反射光进入准直器。

(2)测量被测波导插入前固定反射镜对应的光程和回波损耗：

测量装置能直接测量每一个反射面对应的光程和回波损耗。通过测量被测样品各个界面之间的光程差和回波损耗，从而获得被测样品的多个光学参数。首先沿光路移动反射镜MM，将在输出端观察到固定反射镜FM对应的反射峰，测出其对应的光程x₃′和回波损耗。

(3)安装被测波导：

把被测样品固定在精密机械位移装置上，调节该精密机械位移装置使被测样品插入到准直器和固定反射镜FM之间，并且使被测样品表面与准直器的输出光路垂直。

(4)测量被测波导插入后各个界面对应的光程和回波损耗：

沿光路移动MM，在输出端将观察到由各个界面直接反射以及界面之间的多次内反射形成的多个反射峰，测出各个反射峰对应的光程和回波损耗。其中被测样品左表面和右表面以及被测样品插入后固定反射镜FM直接反射对应的光程分别为x₁、x₂和x₃。

(5)计算折射率和厚度：

设被测样品的折射率和厚度分别为n和d，那么被测光路中各界面的光程差有如下关系：

                 x₂-x₁＝nd                                    (1)

                 x₃-x₃′＝(n-1)d                              (2)

因此，由式(1)和式(2)可以得到被测样品的折射率n和厚度d。

(6)计算插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数：

根据测得的各个界面直接反射或界面之间多次内反射对应的光程和回波损耗以及光在各个界面之间多次反射的关系可以计算出该平面波导的插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数。并且根据测得的吸收损耗和漫反射系数可以判断波导材料的掺杂情况和介质表面粗糙度。在测试过程中，要求被测样品的各个界面之间以及与作为参考面的反射镜之间相互平行，并使光线垂直入射。

根据菲涅尔定律，当光从折射率为n₁的介质垂直入射到折射率为n₂的介质时，介质界面的反射率R为

$R={\left(\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\right)}^2---\left(3\right)$

对应反射光功率的回波损耗通常定义为

$L=-10\log \frac{P^{\′}}{P_o}---\left(4\right)$

式中P_o表示入射光功率，P′表示被测样品界面的反射光功率。由式(4)可知，反射率R越大，回波损耗的值越小。在实际测量过程中，为了显示的直观，通常要求反射率越大的界面对应回波损耗的反射峰越高。因此，精密反射仪中通常把回波损耗定义为

$L=10\log \frac{P^{\′}}{P_o}---\left(5\right)$

本发明可同时测量平面波导的折射率、厚度、插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数等六个光学参数，并且原理简单、容易操作、测量精度较高、不需要繁杂的计算过程，适合于测量各种材料构成的平面波导。该方法属于非接触式测量，对被测样品的表面质量没有影响，其中对折射率和厚度的测量还属于直接测量，尤其适合于测试多层平面波导中每一层的光学参数。因此，该方法可望在平面波导光学参数的测量中获得广泛应用。

附图说明

图1基于空间迈克尔逊干涉的反射法测量平面波导光学参数的原理示意图。

其中：MM表示可移动反射镜；FM表示固定反射镜。

图2被测样品插入前后各个界面直接反射对应的反射峰示意图

其中虚线峰表示被测样品插入前FM的反射峰，其对应的光程为x₃′；三个实线峰从左至右分别表示被测样品左表面和右表面以及被测样品插入后FM的反射峰。其对应的光程分别为x₁、x₂和x₃。

图3插入硅片前反射镜FM形成的反射峰。

图4插入硅片后硅片和反射镜FM形成的反射峰。

图5硅片左右表面多次内反射形成的反射峰。

图6由反射镜FM第一次反射的光经硅片透射和多次内反射形成的反射峰。

图7被测硅片和反射镜FM的各个界面直接反射或界面之间多次反射的光路示意图。

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图及具体的实施例作进一步描述。

基于空间迈克尔逊干涉的反射法测量平面波导多个光学参数的原理如图1和图2所示。通过直接测量介质界面的光程和回波损耗，从而推导出波导的折射率、厚度、插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数等多个光学参数。本实施例，精密反射仪的测量原理如图1中虚线框部分所示，输入光源为中心波长为1300nm的宽度光源。

(1)首先按图1所示的测量原理搭建测量装置。该方法的测量装置包括空间迈克尔逊干涉仪、准直器、固定反射镜、精密机械位移装置、光纤以及光电探测器和显示设备。精密机械位移装置位于准直器与固定反射镜之间，并且准直器的输出光路垂直于反射镜，以便反射光进入准直器。

(2)测量没有被测样品时反射镜FM的光程和对应反射光功率的回波损耗，测量结果如图3所示，即反射镜对应的光程为226.725μm，回波损耗为-29.218dB。

(3)安装被测波导：如图1所示，把被测样品——硅片插入准直器和反射镜FM之间，并使硅片表面与准直器的输出光路垂直，目的是使被硅片反射的光进入准直器进而被反射仪接收。

(4)测量被测波导插入后各个界面对应的光程和回波损耗：测量结果如图4所示，三个反射峰从左至右分别表示硅片的反射峰Peak_Si以及由FM第一次和第二次反射形成的反射峰Peak_M1和Peak_M2。把图4中的横坐标放大可以观察到每一个反射峰都分别有多个反射峰组成。其中反射峰Peak_Si和Peak_M1分别由如图5和图6所示的多个反射峰组成。图5中的五个反射峰从左至右分别表示直接由硅片左表面反射形成的反射峰Peak_Si ^l以及由硅片右表面第一次、第二次、第三次和第四次反射形成的反射峰Peak_Si ^r1、Peak_Si ^r2、Peak_Si ^r3和Peak_Si ^r4。图6中的四个峰从左至右分别表示被FM第一次反射的光直接经过硅片透射形成的反射峰Peak_M1 ^Si以及再次由硅片右表面第一次、第二次和第三次反射形成的反射峰Peak_M1 ^Si1、Peak_M1 ^Si2和Peak_M1 ^Si3。图3、图4、图5和图6中各个反射峰的反射光路的示意图如图7所示，图中为了表达清楚在垂直于入射光路的方向进行了放大，实际上每一个入射光和反射光都垂直于界面。用精密反射仪能观察到的反射峰的大小和多次反射的次数依赖于被测样品的两个界面和FM之间的平行度以及入射光和界面之间的垂直度，因此，测量时被测样品和FM应该尽可能平行并且垂直入射。图3、图4、图5和图6中各个反射峰对应的光程和回波损耗的值如表1所示。

Peak		光程x(mm)	回波损耗L(dB)
				PeakSi	PeakSi l	134.100	-25.949
PeakSi r1	135.425	-29.131
			PeakSi r2		136.751	-43.609
PeakSi r3	138.076	-57.587
			PeakSi r4		139.400	-71.562
PeakM		226.725					-29.218
			PeakM1	PeakM1 Si	227.050	-35.378
PeakM1 Si1	228.375	-45.334
				PeakM1 Si2	229.701	-55.894
PeakM1 Si3	231.025	-67.325
				PeakM2		319.827	-47.213

(5)计算折射率和厚度：表1中反射峰Peak_Si ^l、Peak_Si ^r1、Peak_M1 ^Si和Peak_M对应的光程分别相当于式(1)和式(2)中的x₁、x₂、x₃和x₃′。因此，由式(1)和式(2)和表1中相应的数值可求得被测样品硅片的折射率和厚度分别为n_Si＝3.296和d_Si＝0.402mm。

(6)计算插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数：光从介质1入射到介质2时，一部分光被介质的界面反射，另一部分光透射进入介质2。由于实际的介质表面存在一定的粗糙度，因此还有一部分光将因漫反射而损耗掉。在介质中传输的光因介质的吸收而存在吸收损耗。由于准直器数值孔径的限制，反射光不可能全部进入准直器。因此，图5和图7所示的反射峰Peak_Si ^l、Peak_Si ^r1、Peak_Si ^r2、Peak_Si ^r3和Peak_Si ^r4对应的反射光被精密反射仪接收到的功率为

$P_{\mathrm{Si}}^l=P_o\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{Si}}(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})---\left(6\right)$

$P_{\mathrm{Si}}^{r1}=P_o\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{Si}}{(1-R_{\mathrm{Si}})}^2{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^3{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Si}})}^2---\left(7\right)$

$P_{\mathrm{Si}}^{r2}=P_o\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{Si}}^3{(1-R_{\mathrm{Si}})}^2{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^5{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Si}})}^4---\left(8\right)$

$P_{\mathrm{Si}}^{r3}=P_o\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{Si}}^5{(1-R_{\mathrm{Si}})}^2{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^7{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Si}})}^6---\left(9\right)$

$P_{\mathrm{Si}}^{r4}=P_o\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{Si}}^7{(1-R_{\mathrm{Si}})}^2{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^9{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Si}})}^8---\left(10\right)$

式中P_o为精密反射仪光源的输出功率，即介质表面的入射光功率；R_Si表示空气和硅片界面的反射率；γ_Si表示介质表面的漫反射系数，即因硅片表面漫反射而损耗掉的光功率的比例；τ_Si表示介质的吸收系数，即光在硅片中传输时因介质吸收而损耗掉的光功率的比例；α表示反射光中进入准直器被精密反射仪接收的光功率的比例。由精密反射仪回波损耗的定义并考虑到准直器数值孔径的限制，式(5)中P′就相当于这里的P_Si ^l、P_Si ^r1、...、P_Si ^r4。因此，由式(5)、式(6)、式(7)和式(8)可知，Peak_Si ^r1和Peak_Si ^l的回波损耗之差ΔL_Si ^r1-l以及Peak_Si ^r2和Peak_Si ^r1的回波损耗之差ΔL_Si ^r2-r1分别为

$\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{Si}}^{r1-l}=L_{\mathrm{Si}}^{r1}-L_{\mathrm{Si}}^l=10\log \frac{P_{\mathrm{Si}}^{r1}}{P_o}-10\log \frac{P_{\mathrm{Si}}^l}{P_o}=10\log \left[{(1-R_{\mathrm{Si}})}^2{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^2{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Si}})}^2\right]---\left(11\right)$

$\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{Si}}^{r2-r1}=L_{\mathrm{Si}}^{r2}-L_{\mathrm{Si}}^{r1}=10\log \frac{P_{\mathrm{Si}}^{r2}}{P_o}-10\log \frac{P_{\mathrm{Si}}^{r1}}{P_o}=10\log [R_{\mathrm{Si}}^2{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^2{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Si}})}^2---\left(12\right)$

式中L_Si ^l、L_Si ^r1和L_Si ^r2分别表示反射峰Peak_Si ^l、Peak_Si ^r1和Peak_Si ^r2对应的回波损耗。由式(11)和式(12)可得

$\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{Si}}^{r1-l}-\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{Si}}^{r2-r1}=10\log \frac{{(1-R_{\mathrm{Si}})}^2}{R_{\mathrm{Si}}^2}---\left(13\right)$

把表1中的相应数值代入(11)、式(12)和式(13)可得硅片表面的反射率为R_Si＝0.214，对应的反射损耗为1.046dB。由式(13)求得的硅片表面的反射率R_Si与用式(3)直接求得的反射率R_Si′＝0.286有一定差异，这是因为硅片表面被部分氧化。由于实际测试的硅片表面一般都不可避免地有一层氧化膜，因此，硅片的反射系数通常不能直接用式(3)求得。

由图7可知，反射峰Peak_M直接由反射镜FM反射形成，反射峰Peak_M1 ^Si由硅片的透射光经FM反射后再次经硅片透射形成，即两次经历硅片。因此，Peak_M和Peak_M1 ^Si对应的反射光被精密反射仪接收到的功率为

P_M＝P_oP_Mα(1-γ_M)                                                (14)

$P_{M1}^{\mathrm{Si}}=P_o{R}_M\mathrm{\α}(1-{\mathrm{\γ}}_M){(1-R_{\mathrm{Si}})}^4{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^4{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Si}})}^2---\left(15\right)$

式中R_M表示反射镜FM的反射率；γ_M表示反射镜FM表面的漫反射系数，即因表面漫反射而损耗掉的光功率的比例。因此，硅片的插入损耗L_insert等于Peak_M1 ^Si和Peak_M对应的回波损耗L_M1 ^Si和L_M的差值的一半，即

$2L_{\mathrm{insert}}=L_{M1}^{\mathrm{Si}}-L_M=10\log \frac{P_{M1}^{\mathrm{Si}}}{P_o}-10\log \frac{P_M}{P_o}=10\log \left[{(1-R_{\mathrm{Si}})}^4{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^4{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{si}})}^2\right]---\left(16\right)$

因此，由表1中L_M1 ^Si和L_M的数值可得L_insert＝-3.080dB。考虑到式(4)和式(5)定义回波损耗的差异，则硅片的实际插入损耗为3.080dB。由式(11)和式(16)可得

$2L_{\mathrm{insert}}-{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{Si}}^{r1-l}=10\log {(1-R_{\mathrm{Si}})}^2{(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Si}})}^2---\left(17\right)$

把表1中相应的数值和R_Si的值带入式(17)可得硅表面的漫反射系数为γ_Si＝0.097。

因此，该硅片因表面漫反射而引起的损耗为0.443dB。把R_Si和γ_Si的值带入式(16)可得硅的吸收系数为τ_Si＝0.023，因此该硅片的吸收损耗为0.119dB。

以上讨论了在垂直于硅片表面的方向测量光学参数的情况，但从其测量原理可知，基于迈克尔逊干涉原理的反射法完全可用于测量平面波导传输方向或与之垂直的方向的光学参数。这是因为该方法只要求被测样品具有两个平行界面即可，而平面波导无论在传输方向还是与之垂直的方向上都具有至少两个平行界面。实际上该方法可用于测量所有具有两个或两个以上平行界面的平面波导的光学参数，如平板波导、矩形波导、脊行波导等。

根据测得的界面漫反射系数可以得知介质表面的粗糙度，这对于在平面波导制备过程中检验介质界面的表面质量非常有用，如旋涂成膜的表面质量、脊形波导或矩形波导中脊形部分的表面加工质量等。根据测得的介质吸收损耗还可以判断介质材料的光学特性和掺杂情况。由于平面波导的每一层的界面都相当于一个反射面，因此该方法尤其适合于测试多层平面波导中每一层的光学参数，这是其它测量方法所不具备的优点。

Claims (4)

1、一种同时测量平面波导多个光学参数的方法，其特征在于，方法步骤如下：

(1)搭建测量装置：准直器输出的光路垂直与反射镜，以便反射光进入准直器；

(2)测量被测波导插入前固定反射镜对应的光程和回波损耗：首先沿光路移动反射镜MM，将在输出端观察到固定反射镜FM对应的反射峰，测出其对应的光程x₃′和回波损耗；

(3)安装被测波导：把被测样品固定在精密机械位移装置上，调节该精密机械位移装置使被测样品插入到准直器和固定反射镜FM之间，并且使被测样品表面与准直器的输出光路垂直；

(4)测量被测波导插入后各个界面对应的光程和回波损耗：沿光路移动MM，在输出端将观察到由各个界面直接反射以及界面之间的多次内反射形成的多个反射峰，测出各个反射峰对应的光程和回波损耗，被测样品左、右表面以及被测样品插入后固定反射镜FM直接反射对应的光程分别为x₁、x₂和x₃；

(5)计算折射率和厚度：设被测样品折射率和厚度分别为n和d，被测光路中各界面的光程差有如下关系：

x₂-x₁＝nd

x₃-x₃′＝(n-1)d

因此得到被测样品的折射率n和厚度d；

(6)计算插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数：根据菲涅尔定律，当光从折射率为n₁的介质垂直入射到折射率为n₂的介质时，介质界面的反射率R为

$R={\left(\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\right)}^2$

对应反射光功率的回波损耗定义为 $L=10\log \frac{P^{\′}}{P_o}$

式中P_o表示入射光功率，P′表示被测样品界面的反射光功率；

根据测得各个界面直接反射或界面之间多次内反射对应的光程和回波损耗以及光在各个界面之间多次反射的关系计算出该平面波导的插入损耗、吸收损耗、反射率和漫反射系数。

2、根据权利要求1所述的同时测量平面波导多个光学参数的方法，其特征是，步骤(1)中，测量装置包括空间迈克尔逊干涉仪、准直器、固定反射镜、精密机械位移装置、光纤以及光电探测器和显示设备。

3、根据权利要求1所述的同时测量平面波导多个光学参数的方法，其特征是，步骤(6)中，回波损耗定义为

$L=10\log \frac{P^{\′}}{P_o}$

4、根据权利要求1所述的同时测量平面波导多个光学参数的方法，其特征是，在测试过程中，被测样品的各个界面之间以及与作为参考面的反射镜之间相互平行，并使光线垂直入射。

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