CN1616941A - 光波导参数测量仪 - Google Patents
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Abstract
一种导波光学和光电子领域的光波导参数测量仪，包括：准直激光器、偏振器、分束镜、小孔、倍角转台、测量探测器、聚焦透镜、自准探测器、调节支架、光学平板、电气控制箱、计算机。准直激光器、偏振器、分束镜、小孔、聚焦透镜、自准探测器均固定在调节支架上，调节支架再固定在光学平板上，倍角转台平放在光学平板上，测量探测器固定在倍角转台上，测量探测器和自准探测器同时通过数据线与电气控制箱及计算机相连。本发明可以测量薄膜材料的折射率和厚度、光波导折射率轮廓和传输损耗等多种参数，且测量范围有较大的扩展，测量精度也得到明显的提高，具有操作简单、准确可靠、快速测量、界面友好等特性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种用于导波光学和光电子技术领域的测量器械，具体是一种光波导参数测量仪。
背景技术
近二十年来，随着激光技术特别是光通信技术的发展，光波导的研究和应用取得了长足的进步。因此光波导的参数测量，例如导波层薄膜的厚度、折射率、光波导传输损耗等参数的测量就显得越加重要。为了提高各类光波导器件的性能，对波导各种参量的表征是必不可少的。只有在此基础上才能进一步分析、设计、优化光波导器件。
经对现有技术的文献检索发现，专利号为4,653,844的美国专利《Prismcoupler》(棱镜耦合器)中提出了一种棱镜耦合器。该器件中由棱镜、中间泄漏层、波导层及衬底层4层结构组成。其中波导层制备在衬底上。在4层结构当中，棱镜的折射率最高，其次是波导层，中间泄漏层和衬底层折射率最小。中间泄漏层通常为空气。在这种器件中，激光以大于全反射角入射到棱镜底面时，发生全反射，光波以迅衰场的形式渗透到中间泄漏层。当入射角满足波导的耦合条件时，便可激发出导模。基于这种棱镜耦合结构的测量光波导参数的仪器由于受到棱镜的限制，波导层的折射率不能大于棱镜。现有的棱镜材料在光频波段范围最高的折射率(金红石Ti02)n＝2.75。因此折射率测量的范围只能被限制在1.0-2.65。更高范围的折射率测量就无能为力了。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种光波导参数测量仪，使其可以测量薄膜材料的折射率和厚度、光波导折射率轮廓和传输损耗等多种参数，且测量范围有较大的扩展，测量精度也得到明显的提高，具有操作简单、准确可靠、快速测量、界面友好等特性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：准直激光器、偏振器、分束镜、小孔、倍角转台、测量探测器、聚焦透镜、自准探测器(即硅光电池)、调节支架、光学平板、电气控制箱、计算机。其连接关系为：准直激光器、偏振器、分束镜、小孔、聚焦透镜、自准探测器均固定在调节支架上，调节支架再固定在光学平板上，倍角转台平放在光学平板上，波导待测样品则放在倍角转台的内转台上，测量探测器固定在倍角转台的外转台上，测量探测器和自准探测器同时通过数据线与电气控制箱及计算机相连，把探测到的光强信号(如果是测量光波导传输损耗，则为CCD采集到的波导传输线图像信号)放大处理后经过A/D卡输入计算机。
测量探测器一般为硅光电池，如果进行光波导传输损耗的测量，则测量探测器为数字成像器件CCD。聚焦透镜仅在进行光波导传输损耗的测量时使用。
倍角转台包括：滚动平板、轮子、内转台、外转台、底座、支架。其连接关系为：滚动平板通过支架固定在底座上，在内转台边缘对称地引出三个接点，在接点上设置轮子，轮子的中心带有轴承，保证轮子的轴线与内转台的中心轴线严格垂直相交，外转台底面设有一个圆形的沟槽，外转台通过沟槽套在轮子上，滚动平板与内转台的中心轴线严格垂直。自准探测器用于测量角的自动零角度校准及定位。
由于滚动轮子的顶点相对于底面的线速度是其中心的两倍，轮子的中心与内转台保持同步，用轮子的顶部带动外转台，这样外转台的角速度是内转台角速度的两倍，实现了外内转台的倍角同步关系，从而保证了转台在转动过程中，测量探测器始终能准确同步的探测到反射光强。
使用本发明测量光波导参数时，准直激光器所发出的准直激光经过偏振器后变成S或P偏振光，再经过分束镜和小孔，入射在波导待测样品上。在进行自动零角度校准后，改变激光入射在波导待测样品上的入射角度。当角度满足波导的耦合条件时，便可激发出导模。再用硅光电池(即测量探测器)记录光强或用CCD采集波导传输线图像，并输入到计算机。运行相应软件，对相关数据作计算处理就可获得所需要的波导参数。
本发明同现有的测量光波导参数的仪器相比，具备以下优点：1、由于结合了自由空间耦合技术，不受棱镜的限制，材料折射率和厚度的测量范围得到大幅度提高。材料折射率测量可超过3，厚度测量可以达到mm量级。2、可对渐变波导折射率分布进行精确拟合。用逆分析转移矩阵(逆ATM)方法代替逆WKB法，可克服逆WKB近似固有的缺点。3、可实现对波导表面折射率的测量。利用表面等离子波测量波导表面折射率的新方法，消除了传统方法在确定表面折射率过程中相对高的自由度，使波导折射率分布的确定更具科学性和精确度。4、采用CCD数字成像器件，通过数字成像对光波导内部的传输光强进行测量，可计算得到波导的传输损耗，具有无损、高精度快速测量等优点。5、可以实现材料折射率和厚度的同时、快速测量，且测量精度高、分辨率高。折射率精度可达0.001，折射率分辨率可达0.0005。6、具有测量角的自动零角度校准及定位功能。通过自准光反射信号峰值进行零角度定标及角度初始记录。7、采用的倍角转台，能严格的保证测量探测器与反射光的同步。倍角转台的转速及数据采集都由计算机来控制。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2本发明结构侧视图
图3倍角转台的结构示意图
图4倍角转台轮子的结构图
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括：准直激光器1、偏振器2、分束镜3、小孔4、倍角转台5、测量探测器6、聚焦透镜7、自准探测器8、调节支架9、光学平板10、电气控制箱11、计算机12。其连接关系为：准直激光器1、偏振器2、分束镜3、小孔4、聚焦透镜7、自准探测器8均固定在调节支架9上，调节支架9再固定在光学平板10上，波导待测样品放在倍角转台5上，倍角转台仪5平放在光学平板10上，测量探测器6固定在倍角转台5上，测量探测器6和自准探测器8同时通过数据线与电气控制箱11及计算机12相连。
如图3、图4所示，倍角转台5包括：滚动平板13、轮子14、内转台15、外转台16、底座20、支架21。其连接关系为：滚动平板13通过支架21固定在底座20上，在内转台15边缘对称地引出三个接点18，在接点18上设置轮子14，轮子14的中心带有轴承19，保证轮子14的轴线与内转台15的中心轴线严格垂直相交。外转台16底面设有一个圆形的沟槽17，外转台16通过沟槽17套在轮子14上，滚动平板13与内转台15的中心轴线严格垂直。
测量探测器6为硅光电池，当进行光波导传输损耗的测量，则测量探测器6为数字成像器件CCD。
聚焦透镜7仅在进行光波导传输损耗的测量时使用。
结合本发明的内容，提供实施例，即将本发明用于测量聚合物薄膜材料的折射率和厚度测量的实施例，具体如下：
第一步：将准直激光器、偏振器、分束镜、小孔、自准探测器、倍角转台、波导待测样品、测量探测器进行光路同轴等高调整。
第二步：制作波导待测样品，棱镜材料选用高折射率棱镜(ZF7光学玻璃，n＝1.811)。利用溅射方法在棱镜的下底面上镀上一层金属膜，一般选择为金膜或者为银膜。为了提高光耦合进波导的效率，金属厚度需要严格控制。这里底面金属膜材料采用银(650.0nm波长下ε＝-11.89+i0.83)，厚度为46nm。将聚合物材料溶液通过甩胶机均匀的甩在底面金属膜上，经过烘干形成薄膜。可通过控制甩胶机的转速来控制波导薄膜的厚度，一般为0.5～3um之间。
第三步：将制备好的波导待测样品放置在倍角转台内转台的中心。选择入射激光波长为650.0nm，选取激光偏振方向为P波。入射光在样品表面发生反射，反射光被测量探测器接收。
第四步：进行自动零位校准。
第五步：对倍角转台进行角度扫描，在计算机软件界面上可以得到反射光强随角度变化的谱线。谱线上会出现多个导模共振峰，记录其中相邻三个导模共振峰的角度，分别为53.47°、58.15°、62.12°，计算出这相邻三个导模的传播常数，将这些传播常数代入导波的模式色散方程，即可求解得出薄膜的折射率为1.689，厚度为1.724μm。
Claims (4)
1、一种光波导参数测量仪，包括：准直激光器(1)、偏振器(2)、分束镜(3)、小孔(4)、聚焦透镜(7)、调节支架(9)、光学平板(10)、电气控制箱(11)、计算机(12)，其特征在于，还包括：倍角转台(5)、测量探测器(6)、自准探测器(8)，其连接关系为：准直激光器(1)、偏振器(2)、分束镜(3)、小孔(4)、聚焦透镜(7)、自准探测器(8)均固定在调节支架(9)上，调节支架(9)再固定在光学平板(10)上，倍角转台(5)平放在光学平板(10)上，波导待测样品放在倍角转台(5)上，测量探测器(6)固定在倍角转台(5)上，测量探测器(6)和自准探测器(8)同时通过数据线与电气控制箱(11)及计算机(12)相连。
2、根据权利要求1所述的光波导参数测量仪，其特征是，倍角转台(5)包括：滚动平板(13)、轮子(14)、内转台(15)、外转台(16)、底座(20)、支架(21)，其连接关系为：滚动平板(13)通过支架(21)固定在底座(20)上，在内转台(15)边缘对称地引出三个接点(18)，在接点(18)上设置轮子(14)，轮子(14)的中心带有轴承(19)，保证轮子(14)的轴线与内转台(15)的中心轴线严格垂直相交，外转台(16)底面设有一个圆形的沟槽(17)，外转台(16)通过沟槽(17)套在轮子(14)上，滚动平板(13)与内转台(15)的中心轴线严格垂直。
3、根据权利要求1所述的光波导参数测量仪，其特征是，测量探测器(6)为硅光电池，当进行光波导传输损耗的测量，则测量探测器(6)为数字成像器件CCD。
4、根据权利要求1所述的光波导参数测量仪，其特征是，聚焦透镜(7)仅用于光波导传输损耗的测量。
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