TWI680285B - 稜鏡耦合系統及用於對層深度大的波導件標定特徵之方法 - Google Patents

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Abstract

揭示稜鏡耦合系統及用於對層深度大的波導件標定特徵之方法。該系統和方法利用具有耦合角α的耦合稜鏡，耦合角α在全內反射發生時具有最大耦合角αmax。稜鏡角α在0.81αmax
Figure TWI680285B_A0001
α
Figure TWI680285B_A0002
0.99αmax的範圍中。這種結構導致更間隔開的低階模線移動到更靠近在一起及更緊密間隔的高階模線分開。調整過的模線間距允許在檢測器對其他緊密間隔的模線適當取樣。然後檢測到的模譜之模線間距經由後處理被校正。然後校正過的模譜被處理以得到該波導件之至少一個特徵。

Description

稜鏡耦合系統及用於對層深度大的波導件標定特徵之方法
本專利申請案根據專利法主張於2014年5月21日提出申請的美國臨時專利申請案序號第62/001,116號的優先權權益，該申請案之內容為本案所依據且該申請案之內容以引用方式全部併入本文中。
本揭示係關於稜鏡耦合系統及用於對波導件標定特徵之方法，而且本揭示更特定言之係關於用於對層深度大的波導件標定特徵之方法與系統。
以引用方式併入本文中提及的任何公開或專利文件之整體揭示，包括標題為「用於量測離子交換玻璃之應力分佈的系統和方法(Systems and methods for measuring the stress profile of ion-exchanged glass)」的美國專利申請序號第13/463,322號、及標題為「用於在玻璃和玻璃陶瓷中量測雙折射的系統和方法(Systems and methods for measuring birefringence in glass and glass-ceramics)」的美國專利申請公開第2014/0092377號、以及標題為「用於量測含陡峭區域的折射率分佈之模譜的設備和方法(Apparatus and methods for measurement of mode spectra of index profiles containing a steep region.)」的美國臨時專利申請序號第61/897,546號(下為稱為’546申請案)。
稜鏡耦合技術可被用來量測平面光波導件的波導模態之光譜，以對波導件的特性標定特徵，例如用以量測折射率和應力分佈。這種技術已被用於量測不同離子交換(IOX)玻璃的應力和層深度(DOL)。
某些類型的IOX玻璃是由產生兩個區段分佈的第一和第二擴散區形成的實際雙IOX(DIOX)玻璃。第一區段鄰接表面並具有相對陡的斜率，而第二區段延伸進入基板較深，但具有相對淺的斜率。這種DIOX分佈被形成在某些類型的化學強化玻璃和抗菌玻璃中。
這種兩區段的分佈在具有相對高的有效折射率的低階模態之間產生相對大的間距，並在具有相對低的有效折射率的高階模態之間產生非常小的間距。當使用具有約60°的輸出側角α的傳統耦合稜鏡時，這種模態間距上的差異被進一步增大。對於這樣的耦合稜鏡來說，低階模態的出射光線之角靈敏度比高階模態的更高。模態之間的間距是令人感興趣的，因為模態是藉由一個光檢測器(即數位相機)檢測的。量測的解析度是由相鄰模態之間的光檢測器像素數量所界定。
藉由舉例的方式，考量使用Ag+(淺)和K+(深)擴散形成的DIOX玻璃之典型折射率分佈。陡淺的Ag+ IOX區域可以具有約0.06的折射率變化及從玻璃表面約3μm的深度。較淺但較深的K+ IOX區域可以具有大致上僅約0.01的較小折射率變化及從玻璃表面約90μm的深度。在光檢測器最低階的兩種(TE或TM)模態之間的間距會是幾百個像素，而最高階的兩種模態之間的間距可能只有幾個像素。
當試圖精確量測DIOX分佈的較深區段時，在光檢測器像素上的這種模態分佈是有問題的，因為在較深區段中行進的高階模態是取樣不足的。假使DOL足夠大，則變成無法適當地解析高階模態的譜線，結果DIOX分佈無法被精確地量測。
一種用於獲得所需量測解析度的選擇是擁有像素更多的較大光檢測器，這在某些情況下可能還需要孔徑更大的光學系統。然而，這樣的光檢測器和孔徑更大的光學系統會對量測系統增加相當多的成本和複雜性。
揭示稜鏡耦合系統及用於對層深度大的波導件(例如被形成在DIOX玻璃樣品中的那些)標定特徵之方法。該系統和方法利用具有耦合角α的耦合稜鏡，耦合角α在全內反射發生時具有最大耦合角αmax。稜鏡角α在0.81α max
Figure TWI680285B_D0001
α
Figure TWI680285B_D0002
0.99α max 的範圍中。這種結構導致有利調整的模譜，其中較緊密間隔的較高階模線被就離開稜鏡的出射角方面更好地分離。檢測器檢測調整過的模譜，調整過的模譜之調整過的模線間距允許對較高階模態之其他緊密間隔的模線適當地取樣，同時更有效地利用較低階模態原本分離較寬的模線之檢測器空間。然後經由後處理重新調整(校正)檢測到的模譜之模線間距。然後處理再次重新調整(校正)的模譜，以得到該波導件之至少一個特徵。該方法可被應用於TM和TE模譜兩者，以獲得雙折射分佈的量測值，並因此獲得該波導件之應力分佈的量測值。
本揭示之一態樣為一種用於量測波導件之至少一模譜的量測系統，該波導件被形成在基板之頂部表面中並具有大於50微米的層深度(DOL)。該量測系統包括：具有輸入表面、輸出表面和耦合表面、折射率n p 、及介於該輸出表面和該耦合表面之間的稜鏡角α的耦合稜鏡，並且其中該耦合表面與在該基板頂部表面的該波導件接合，從而界定出基板稜鏡界面；設以通過該稜鏡之該輸入表面照射該基板稜鏡界面的光源系統，從而形成反射光，該反射光包括具有第一尺寸的至少一模譜之模線，其中該反射光從該耦合稜鏡之該輸出表面離開；具有檢測器的光檢測器系統，該光檢測器系統被設置來接收來自該耦合稜鏡的該反射光及在該檢測器上檢測該至少一模譜；及設以處理所檢測的至少一模譜的控制器，以將由該反射光在該耦合稜鏡之該輸出表面的折射所造成的模線失真校正為具有第二尺寸的校正模譜；以及其中該耦合稜鏡具有等於臨界角的最大稜鏡角αmax，在大於該臨界角下該反射光在該稜鏡的該輸出表面被全內反 射，該稜鏡角α是在0.81α max
Figure TWI680285B_D0003
α
Figure TWI680285B_D0004
0.99α max 的範圍中，而且該第一尺寸大致上與該第二尺寸相同。
本揭示之另一個態樣為一種量測波導件之模譜的方法，該波導件被形成在基板之頂部表面中並具有大於50微米的DOL。該方法包括以下步驟：使耦合稜鏡與該基板接合以形成基板稜鏡界面，該耦合稜鏡具有由輸出表面界定的耦合稜鏡角，並且該耦合稜鏡角是在0.81α max
Figure TWI680285B_D0005
α
Figure TWI680285B_D0006
0.99α max 的範圍中，其中α max 界定與在該耦合稜鏡內發生全內反射相關的最大耦合稜鏡角；導引光通過該耦合稜鏡到達該基板稜鏡界面，以形成反射光，反射光包括該波導件之至少一模譜的模線，其中該反射光從該耦合稜鏡之該輸出表面離開；檢測離開該耦合稜鏡的該反射光之該至少一模譜的模線，其中由於該反射光在該耦合稜鏡之該輸出表面折射，該等模線具有調整過的模線間距；以及在該檢測之後校正該調整過的模線間距。
本揭示之另一個態樣為一種量測波導件之模譜的方法，該波導件藉由雙重離子擴散被形成在基板之頂部表面中到達大於50微米的DOL。該方法包括以下步驟：使耦合稜鏡與該波導件接合，該耦合稜鏡具有輸入表面、輸出表面、與該頂部表面接合的耦合表面以界定出基板稜鏡界面，該耦合稜鏡具有由該耦合表面與該輸出表面界定的耦合稜鏡角α、及對應於在該輸出表面的全內反射角的最大稜鏡角α max ，其中該耦合稜鏡角是在0.81α max
Figure TWI680285B_D0007
α
Figure TWI680285B_D0008
0.99α max 的範圍中；導引光通過該輸入表面到達該基板稜鏡界面，從而形成反射光，該反射光包括該模譜之模線，其中該反射光在該輸出表面離開該耦合稜鏡並入射於檢測器上；使用該檢測器檢測該模譜之模線，其中由於該反射光在該耦合稜鏡之該輸出表面折射，該等模線具有調整過的模線間距；以及在該檢測之後校正該模線間距中的調整。
將在隨後的實施方式中闡述其他的特徵和優點，而且部分的特徵和優點對於所屬技術領域中具有通常知識者來說將可從實施方式輕易明瞭，或是藉由實施書面描述和申請專利範圍、以及附圖中描述的實施例來確認。應當理解的是，前面的一般性描述和以下的實施方式都只是例示性的，並意圖提供用以理解申請專利範圍之本質和特性的概述或框架。
10‧‧‧系統
20‧‧‧基板
21‧‧‧主體
22‧‧‧基板表面
30‧‧‧基板支架
40‧‧‧耦合稜鏡
42‧‧‧輸入表面
43‧‧‧頂部平坦表面
44‧‧‧耦合表面
46‧‧‧輸出表面
50‧‧‧界面
60‧‧‧光源
62‧‧‧光
62F‧‧‧光
62R‧‧‧反射光
62S‧‧‧散射光
66‧‧‧濾光器
80‧‧‧聚焦光學系統
90‧‧‧集光光學系統
92‧‧‧聚焦平面
100‧‧‧偏振器系統
100TE‧‧‧TE偏振器區段
100TM‧‧‧TM偏振器區段
110‧‧‧檢測器
112‧‧‧框接收器
112‧‧‧感光表面
112p‧‧‧像素
112TE‧‧‧TE區段
112TM‧‧‧TM區段
113‧‧‧模譜
113’‧‧‧模譜
115‧‧‧模線
115TE‧‧‧光譜線(模線)
115TM‧‧‧光譜線(模線)
120‧‧‧框接收器
130‧‧‧光檢測器系統
150‧‧‧控制器
152‧‧‧處理器
154‧‧‧記憶體
I1‧‧‧第一離子
I2‧‧‧第二離子
△x‧‧‧間距
△x’‧‧‧間距
附圖被包括以提供進一步的理解而且被併入本說明書中並構成本說明書的一部分。圖式說明一個或更多個實施例，並與實施方式一起用於解釋各實施例的原理和操作。因此，從以下結合附圖的實施方式，本揭示將變得被更充分理解，在該等附圖中：第1A圖為處於平面基板形式的實例DIOX玻璃基板之立體圖；第1B圖為在xy平面作出的第1A圖DIOX基板之特寫剖視圖，而且第1B圖圖示穿過基板表面並進入基板主體發生的雙離子交換製程；第1C圖示意性圖示形成DIOX基板的DIOX製程之結果；第2圖為第1C圖圖示的DIOX基板之每一側的實例折射率分佈n(x)之表示圖；第3A圖為依據本揭示的實例稜鏡耦合系統之示意圖；第3B圖為第3A圖的稜鏡耦合系統之光檢測器系統的特寫視圖；第3C圖為由第3B圖的光檢測器系統擷取的TM和TE模譜之示意圖；第4圖為稜鏡耦合系統之特寫視圖並圖示本文揭示的實例耦合稜鏡，而且該耦合稜鏡與離子交換基板及形成在該離子交換基板中的波導件接合；第5A圖和第5B圖為基於稜鏡折射率n p =1.7298，對於40°、45°、50°、55°及60°(第5A圖)的稜鏡角α及對於60°、74°、82°、86°、88°、90°及92°(第5B圖)的稜鏡角α，dβ2/dn eff (弧度/RIU)對比n eff 之曲線圖； 第6圖為在將模譜影像的總寬度保持相同尺寸時，相對於60°的稜鏡角，對於稜鏡角α=92°來說，在集光光學系統的聚焦平面模線間距△x的變化D(△x)(%)對比有效折射率n eff 之曲線圖，且水平虛線在D(△x)=0；第7圖繪製基板塊體折射率n s =1.45、1.46、1.47、1.48、1.49、1.50及1.51的最大稜鏡角αmax對比稜鏡折射率n p ；第8圖繪製稜鏡折射率n p =1.7298的最大稜鏡角αmax對比基板塊體折射率n s ；第9A圖為圖示實例的理想、純淨、無失真或未以其他方式改變的模譜之示意圖，該模譜的模線具有各別的模線間距△x；第9B圖類似於第9A圖，但其中模譜為第9A圖的模譜之調整版本，其中由於在耦合稜鏡的輸出表面折射，模線間距已改變並被界定為△x’，如由連接第9A圖和第9B圖之相應模線的虛線指示的；以及第9C圖圖示為了獲得第9A圖的校正(未調整)模譜而對第9B圖的調整版本模譜進行的校正(或重新調整)。
現在詳細參照本揭示的各種實施例，該等實施例的實例被圖示在附圖中。只要有可能，在全部的圖式中使用相同或類似的參照數字和符號來指稱相同或相似的部件。圖式不一定按照比例，而且所屬技術領域中具有通常知識者將認可的是，圖式已被簡化來說明本揭示的關鍵態樣。
以下闡述的申請專利範圍被併入本實施方式中並構成該實施方式的一部分。
為了參照的緣故，笛卡兒座標被圖示在一些圖式中，而且並無限制方向或方位之意圖。
縮寫RIU表示「折射率單位」。
下文的討論提到由IOX製程形成的波導件之較低階模態和較高階模態。該等模態是由在電場振幅的深度分佈中零(節點)的數量排序。最低階模態(將橫磁模態標記為TM0並將橫電模態標記為TE0)在分佈中沒有零，並具有最高有效折射率。第二模態(TM1或TE1)在電場振幅的深度分佈中具有一個節點和第二最高有效折射率，依此類推。由波導件支持的兩種偏振態中的每一種之最高階導模在電場振幅的深度分佈中具有最多的零及在該偏振態的模態間最低的有效折射率。
在許多有關具有大DOL、強化離子(例如在用K+離子交換Na+中的K+)的化學強化玻璃的實例中，最高階模態的有效折射率可能只略高於基板或塊體玻璃折射率，而最低階(基本)模態的有效折射率可能只略低於波導件內任意處(時常發生在玻璃表面)的最大材料折射率值。
因此，本文中使用的術語「較高階模態」和「較低階模態」是有點相對的，因為我們可以為了方便起見將某一數量的最低階模態集體界定為「低階模態」，而其餘較高的模態則構成「較高階模態」。因此，用以區分模態之間的特定區別或將模態稱為在不同的群組中是為了便於說明，並無意圖為限制性的。
第1A圖為處於平面離子交換基板20形式的實例玻璃基板之立體圖，平面離子交換基板20具有主體21和(頂部)表面22，其中該主體具有基本(塊體)折射率ns和表面折射率n0。第1B圖為在xy平面作出的離子交換基板20之特寫剖視圖，而且第1B圖圖示穿過表面22並在x方向上進入主體21發生的實例雙離子交換(DIOX)製程。
第1C圖示意性圖示形成(雙)離子交換基板20的雙離子交換製程之結果。離子交換基板20包括在主體21的基板離子IS，基板離子IS被交換成第一離子I1和第二離子I2。第一和第二離子I1和I2可以被使用習知技術依序或同時引入 玻璃主體中。例如，第二離子I2可以是經由用於強化的KNO3浴引入的K+離子，之後引入第一離子I1，第一離子I1可以是經由含AgNO3浴引入的Ag+離子，以在表面22附近添加抗菌性。第1B圖中表示離子I1和I2的圓圈只用於示意性的說明，而且該等圓圈的相對尺寸不一定表示實際參與離子交換的離子之尺寸間的任何實際關係。
此外，離子I1可以以明顯數量存在於區域R1和R2中(參見以下介紹和討論的第2圖)，類型I2的離子也可以以明顯數量存在於區域R1和R2中。即使是使用一步驟的離子交換製程也可能觀察到離子I1和I2的相對濃度具有明顯差異的兩個區域R1和R2形成。在一實例中，利用在含有KNO3和AgNO3混合物的浴中對含Na玻璃進行離子交換有可能獲得具有明顯Ag+和K+濃度的區域R1和也具有明顯Ag+和K+濃度的區域R2，但在區域R1中Ag+相對於K+的相對濃度可以明顯大於在區域R2中Ag+相對於K+的相對濃度。
第2圖為諸如第1C圖圖示的離子交換基板20之實例折射率分佈n(x)的表示圖。折射率分佈n(x)包括與淺離子交換(離子I1)相關並具有進入主體21的深度D1的第一區域R1。折射率分佈n(x)還包括與深離子交換(離子I2)相關並具有界定層深度(DOL)的深度D2的第二區域R2。在一實例中，DOL為至少50μm，而且另外在一實例中DOL可以大至150μm。在另一個實例中，DOL在從70μm至100μm的範圍中。
在實施時，較深的第二區域R2可以早於淺區域產生。區域R1鄰接基板表面22並且是相對陡峭和淺的(例如D1為幾微米)，而區域R2較不陡峭並且延伸進入基板相對較深，到達上述的深度D2。在一實例中，區域R1在基板表面22具有最大折射率n0而且急劇地逐漸減小到中間折射率ni，而區域R2從中間折射率更和緩地逐漸減小到基板(塊體)折射率ns。這裡強調的是，其他的離子交換 製程會產生陡峭和淺的近表面折射率變化，並且此處以說明的方式討論雙離子交換製程。
在一實例中，本文揭示的方法採用離子交換基板20的光學量測，該光學量測使用如下所述的稜鏡耦合系統，該稜鏡耦合系統包括專用耦合稜鏡。採用傳統耦合稜鏡的這種系統是所屬技術領域中一般習知的，而且適用於進行本揭示之方法且具有如下所述耦合稜鏡的變形的實例系統被描述於以上確認的美國專利申請案中。
稜鏡耦合系統
第3A圖為適用於進行量測具有折射率分佈n(x)的離子交換基板20之TE和TM模譜的方法之實例稜鏡耦合系統(「系統」)10的示意圖。第3B圖為第3A圖的稜鏡耦合系統10之光檢測器系統的特寫視圖。在一實例中，離子交換基板20構成化學強化玻璃，例如由紐約州康寧市的康寧公司製造的GORILLA®玻璃。
系統10包括設以固持基板20的基板支架30。然而，在替代的實施例中，基板支架30是不必要的。系統10還包括耦合稜鏡40，耦合稜鏡40包括輸入表面42、可選的頂部平坦表面43、耦合表面44及輸出表面46。耦合稜鏡40的折射率np>n0。耦合稜鏡40藉由使耦合稜鏡耦合表面44與基板頂部表面22光學接觸而與基板20接合，從而界定出基板稜鏡界面(「界面」)50，界面50可選地包括界面流體(未圖示)。
耦合稜鏡40包括輸出側稜鏡角(「稜鏡角」)α，稜鏡角α量測由輸出表面46與耦合表面44形成的角度。稜鏡角α的選擇在下面有更詳細的描述。
繼續參照第3A圖，系統10包括分別通過耦合稜鏡40之輸入和輸出表面42和46的光軸A1和A2，以在稜鏡/空氣界面產生折射之後大致會聚於界面50。系統10沿著軸A1依序包括發射波長λ的量測光62的光源60、可以替換地被包括在 軸A2上的檢測器路徑的可選濾光器66、形成散射光62S的可選光散射元件70、及可部分聚焦(量測)光62F的可選聚焦光學系統80，如下面所解釋。因此，在系統10的實例中，在光源60和稜鏡輸入表面42之間沒有光學元件。
系統10從耦合稜鏡40沿著軸A2還依序包括具有聚焦平面92和焦距f以及如以下說明接收反射光62R的集光光學系統90、偏振器系統100、及光檢測器系統130。軸A1界定光源60和耦合稜鏡耦合表面44之間的光路徑OP1之中心。軸A2界定耦合表面44和光檢測器系統130之間的光路徑OP2之中心。需注意的是，軸A1和A2可以由於折射而分別在輸入和輸出表面42和46被彎曲。軸A1和A2也可以在光路徑OP1及/或OP2中藉由插入反射鏡而被分成子路徑。
在一實例中，光檢測器系統130包括檢測器(照相機)110和框接收器120。在下面討論的其他實施例中，光檢測器系統130包括CMOS或CCD照相機。第3B圖為偏振器系統100和光檢測器系統130的檢測器110之特寫立體圖。在一實例中，偏振器系統100包括TE偏振器區段100TE和TM偏振器區段100TM。光檢測器系統130包括感光表面112。感光表面112駐留在集光光學系統90的聚焦平面92上，且感光表面大致垂直於軸A2。這用以在照相機110的感測器平面將離開耦合稜鏡輸出表面46的反射光62R之角度分佈轉換成橫向的光空間分佈。參照第3B圖的特寫插圖，在實例的實施例中，感光表面112包含像素112p，即檢測器110是數位檢測器，例如數位相機。
將感光表面112分成TE和TM區段112TE和112TM允許同時記錄反射光62R的TE和TM偏振之角反射光譜(模譜)的數位影像。考慮到系統參數會隨著時間漂移，此同時檢測消除了在不同時間進行TE和TM量測可能產生的量測雜訊源。
在系統10的另一個實施例中，偏振器系統100沒有分離的偏振器配置，而是包含在發送TM或TE頻譜的兩個狀態之間依序旋轉90度的單一偏振器， 以依序取得TM和TE耦合光譜。在此實施例中，偏振器系統100可以被放在光源路徑OP1或檢測器路徑OP2任一者中。
第3C圖為由光檢測器系統130擷取的TM和TE模譜113之示意圖。TM和TE模譜113是由各別的光譜線(模線)115TM和115TE所組成的。TM和TE模譜各包括低階模態(即高有效折射率模態)L-TE和L-TM及高階模態(即低有效折射率模態)H-TE和H-TM。相鄰模線115之間的間距被表示為△x並沿著給定的模譜113的長度改變，從下階模態往高階模態變得越來越小。
實例的光源60包括雷射、發光二極體、及諸如熱絲燈和石英燈等帶寬較寬的光源。由光源60產生的量測光62之實例操作波長λ可以包括近紫外、可見及紅外波長。當光源60同調時，使用上述的光散射元件70(可以是移動或振動擴散器)可以有助於減少斑點，斑點會對耦合光譜的精確量測造成問題。
系統10包括控制器150，控制器150設以控制系統的操作。控制器150還設以接收和處理來自光檢測器系統130影像訊號SI，影像訊號SI表示擷取的TE和TM模譜影像。控制器150包括處理器152和記憶體單元(「記憶體」)154。控制器150可以經由光源控制訊號SL控制光源60的啟動和操作，並接收和處理來自光檢測器系統130(例如來自框接收器120，如圖示)的影像訊號SI。
在一實例中，控制器150包含電腦並包括讀取裝置，例如軟式磁碟機、CD-ROM磁碟機、DVD磁碟機、磁性光碟(MOD)裝置(未圖示)或任何其他數位裝置，包括網路連接裝置，例如乙太網路裝置(未圖示)，用於讀取來自電腦可讀媒體的指令及/或數據，該電腦可讀媒體例如軟碟、CD-ROM、DVD、MOD、隨身碟或另一種數位源，例如網路或網際網路。控制器150設以執行儲存在韌體及/或軟體(未圖示)中的指令，包括用於進行本文揭示的表面雙折射/應力量測的訊號處理指令。在實例中，術語「控制器」和「電腦」可以互換。
控制器150是可程式化的，以進行本文描述的功能，包括系統10的操作和影像訊號SI的後處理(訊號處理)，以達成基板20特徵的量測，該特徵例如應力分佈S(x)、雙折射、或壓縮應力CS、或折射率分佈n(x)，折射率分佈n(x)可以包括TE和TM組分。本文中使用的術語「電腦」並不只限於所屬技術領域中稱為電腦的那些積體電路，而是寬泛地指稱電腦、處理器、微控制器、微電腦、可程式化邏輯控制器、特殊應用積體電路及其他可程式化電路，而且這些術語在本文中可互換使用。
軟體可以實施或有助於本文揭示的系統10之操作性能，包括前面提到的訊號處理。軟體可被可操作地安裝在控制器150中，特別是在處理器152和記憶體154中。軟體的功能性可以涉及程式化，包括可執行代碼，而且這樣的功能性可被用於實施本文揭示的方法。這樣的軟體代碼可由通用電腦或由下述的處理器單元執行。
在操作中，代碼和可能的相關數據記錄被儲存在通用電腦平台內、在處理器152內及/或在記憶體154中。然而，在其他的時間，軟體可以被儲存在其他位置及/或被傳輸用於載入適當的通用電腦系統中。因此，本文中討論的實施例涉及一種或更多種軟體產品，該一種或更多種軟體產品的形式為可由至少一種機器可讀媒體進行的一個或更多個代碼模組。由電腦系統150的處理器152或由處理器單元執行這種代碼使得平台能夠以基本上本文中討論和說明的實施例中進行的方式實施目錄及/或軟體下載功能。
控制器150及/或處理器152可以各自採用電腦可讀媒體或機器可讀媒體(例如記憶體154)，該媒體是指參與提供指令給處理器以供執行的任何媒體，該執行包括例如決定基板20的表面雙折射/應力之量或應力分佈S(x)。記憶體154構成電腦可讀媒體。這種媒體可以採取許多形式，包括但不限於非揮發性媒體、揮發性媒體及傳輸媒體。非揮發性媒體包括例如光碟或磁碟，例如在任何電腦 操作中作為以上討論的其中一個伺服器平台的任何儲存裝置。揮發性媒體包括動態記憶體，例如這種電腦平台的主記憶體。實體傳輸媒體包括同軸電纜、銅線及光纖，包括在電腦系統內包含匯流排的電纜。
因此，常見的電腦可讀媒體形式包括例如軟碟、軟性磁碟、硬碟、磁帶、隨身碟及任何其他磁性媒體；CD-ROM、DVD及任何其他光學媒體；不太常用的媒體，例如打孔卡片、紙帶及任何具有孔圖案的其他實體媒體；RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM及任何其他記憶晶片或卡帶；傳送數據或指令的載波、傳送這種載波的電纜或連線、或是電腦可從中讀取程式化代碼及/或數據的任何其他媒體。這些電腦可讀媒體的形式中有許多可能涉及攜帶一個或更多個指令的一個或更多個序列到處理器152用於執行。
在一實例中，控制器150被程式化來基於量測的模譜決定離子交換基板10的至少一個特徵。實例的特徵包括：表面應力、應力分佈、壓縮應力、層深度、折射率分佈及雙折射。在一實例中，控制器150被程式化來進行如A.Brandenburg在Journal of Lightwave Technology 4,no.10(October 1986)：1580-93「離子交換玻璃波導件中的應力(Stress in Ion-Exchanged Glass Waveguides)」的文章中揭示的及亦如前述’546申請中揭示的計算。
系統10可以是修改版本的商用稜鏡耦合儀，例如由日本東京的Orihara工業有限公司製造和銷售的FSM-6000稜鏡耦合儀。FSM-6000儀器代表平面離子交換玻璃的高產量非破壞性應力量測之技術現狀並利用稜鏡折射率在589nm為np=1.72的耦合稜鏡40。FSM-6000使用具有折射率nf=1.64的折射率匹配流體。在FSM-6000儀器中，表面壓縮應力(CS)是從前兩個橫向磁性(TM)與前兩個橫向電性(TE)模態的有效折射率neff計算的，而將觀察到的模態總數與基板折射率和上述前兩個模態的有效折射率一起使用來基於線性折射率分佈的假設計算層深度(DOL)。
耦合稜鏡
第4圖係被圖示為與離子交換基板20之頂部表面22接合的耦合稜鏡40之特寫側視圖以及實例的光線62之路徑，光線62作為聚焦光62F出發，聚焦光62F穿過輸入表面42、被從耦合表面44以角度θ反射為反射光62R，反射光62R相對於稜鏡輸出表面46的法線具有入射角β1，並作為具有出射角β2的反射光離開輸出表面。
對於給定的波導模態來說，相對於稜鏡之耦合面法線的入射共振角係由下式給出：
Figure TWI680285B_D0009
 其中np為稜鏡的折射率，neff為波導模態的有效折射率。相對於耦合稜鏡40之輸出表面46的法線N的相應入射和出射角β1和β2之間的關係為：n p sin(β 1)=n air sin(β 2) (2)其中nair=1為空氣的折射率。
入射角β1的大小與稜鏡角α相對於角度θ之間的關係係由下式給出：當α
Figure TWI680285B_D0010
90°時，β1=θ-α (3a)
當α>90°時，β1=α-θ (3b)從方程式(1)和(2)，出射角β2作為稜鏡角α和有效折射率neff的函數之間的關係可以被寫成：
Figure TWI680285B_D0011
 然後，將稜鏡出射角β2相對於相應有效折射率neff的靈敏度表示為：
Figure TWI680285B_D0012
當光檢測器系統130被相對於集光光學系統90設置使得軸A2大致垂直於照相機110的聚焦平面92時，兩條在出射角β2具有差△β2的(垂直)模線115之間的間距△x係由下式給出：
Figure TWI680285B_D0013
為了使用光檢測器系統130擷取由離子交換基板20支持的所有模態之整個光譜，稜鏡角α必須小於出射角β2=90時有效折射率neff等於或略大於基板20之折射率ns的角度。這轉化為以下最大稜鏡角αmax的條件：
Figure TWI680285B_D0014
當neff等於或略小於基板表面22的折射率n0時，允許由光檢測器系統130擷取整個模譜的最小稜鏡角αmin係由條件β2
Figure TWI680285B_D0015
90°指定，並由下式給出：
Figure TWI680285B_D0016
 因此，為了在波導件中擷取所有模態的整個頻譜，稜鏡角α必須在α max
Figure TWI680285B_D0017
α
Figure TWI680285B_D0018
α min的範圍中。
最佳稜鏡角
稜鏡耦合系統的傳統智慧是採用耦合稜鏡(通常為等腰)，其中耦合表面與出射表面之間的稜鏡角α最常等於或接近60°，而且通常小於75°。高達75°的稜鏡角已被用於其中稜鏡折射率僅略大於(大2%-4%)量測的玻璃基板之折射率的少數情況。由於短的耦合長度，這種稜鏡一直具有小的尺寸(<8mm)，而且不適用於解析具有大DOL的DIOX分佈光譜。典型的稜鏡角產生出射角對有效折射率neff的靈敏度，以dβ2/dneff表示，並隨著neff增加而增大。雖然在過去這一直是沒有問題的，但事實證明，當量測具有大DOL的波導件時，此靈敏度是不理相的，並表現出與高有效折射率neff相關的稀疏間隔較低階模態及與較低有效折射率相關的密集間隔較高階模態。
第5A圖和第5B圖為基於稜鏡折射率np=1.7298，稜鏡出射角β2相對於有效折射率neff的靈敏度為有效折射率neff的函數，對於40°、45°、50°、55°及60°(第5A圖)的稜鏡角α及對於60°、74°、82°、86°、88°、90°及92°(第5B圖)的稜鏡角α之dβ2/dneff(弧度/RIU)對比neff之曲線圖。需注意的是，第5A圖具有比第5B圖小的dβ2/dneff範圍。第5A圖中稜鏡角α=60°的曲線顯示出正斜率及在neff範圍間的低變化率。雖然這允許量測具有各種折射率的波導件，但dβ2/dneff曲線的正斜率對於量測具有陡峭分佈和大折射率差的波導件或具有深分佈部分(例如藉由例如Ag+和K+擴散所形成的DIOX玻璃之分佈)的波導件是有問題的。
dβ2/dneff對比neff的正斜率支持TE和TM模譜影像(參見第3C圖)中低階模態(或高有效折射率)的線之間相對寬的間距及高階模態(或低有效折射率)的線之間非常窄的間距。這導致兩個主要的量測問題。第一個量測問題是，高階模態的窄線間距限制了使用成本適中的工業高解析度感測器解析這種線的能力，從而限制可量測的DOL。第二個量測問題是，高階模態的寬間距縮小了量測的動態範圍，從而防礙使用具有較長焦距的集光光學系統90來提高量測折射率或應力分佈的深部之精確度和靈敏度。
第5A圖和第5B圖圖示當稜鏡角α大於約86°時dβ2/dneff曲線的斜率從負的變化到正的。當稜鏡角α增大時，在低範圍neff(1.45至1.5)中的出射角靈敏度dβ2/dneff迅速增大，而在高範圍neff(1.5至1.6)的靈敏度變化較為緩慢。此特徵正是減輕上述兩個量測問題所需要的，因為該特徵明顯放大在低範圍的neff中模線115之間的線間距△x而不會明顯改變在高範圍的neff中模態之間的模線間距△x。
致能這種對低neff範圍的相對增大之物理效應是入射角β1在接近全內反射的臨界角時的明顯折射。當在輸出表面46的入射角β1大於具有更高有效折射率neff的低階模態之入射角時，這種效應有益低折射率模態的靈敏度。對於neff= 1.45，當稜鏡角從60°變化到92°時，作為neff的函數之稜鏡角α的靈敏度提高約600%。這意味著對於1.45的有效折射率，模態之間的線間距被放大約六倍。另一方面，對於最高有效折射率neff=1.6，靈敏度的變化只有約27%。可以藉由選擇較高的稜鏡折射率np(例如np=1.8)而將在靈敏度的大改良推到超出neff=1.45(例如1.5)的更高有效折射率值。
如由以上方程式(6)指出的，在光檢測器系統130量測的模態(模線115)之間的間距△x正比於集光光學系統90和檢測器110之間的距離(大約等於集光光學系統的焦距)並正比於出射角β2對模有效折射率neff的靈敏度。為了擷取整個模譜，空間範圍必須不大於感光表面112的尺寸。系統10中使用的實例檢測器具有寬度22.3mm的感光表面112。因此，當dβ2/dneff的靈敏度提高時，可能需要配置具有不同焦距的集光光學系統90，以確保模譜的影像尺寸保持大致相同。另一方面，可以比較各種組合的耦合稜鏡40和集光光學系統90之模線115間的線間距變化，以確定產生大致上相同影像尺寸的那些組合。
第6圖為在保持與出射角α=60°的稜鏡相比相同的模譜影像寬度的同時，對於稜鏡角α=92°，在集光光學系統90的聚焦平面92相鄰模線之間的間距△x之變化D(△x)(%)對比有效折射率neff之曲線圖。曲線圖中的水平虛線指示模線間距增加或減少之間的過渡，即模線間距沒有發生變化處。對於α=60°，集光光學系統90的焦距為130mm，並在α=92°改變到63.3mm。第6圖的曲線圖顯示的是，在低的neff範圍中(<1.5)，可藉由將稜鏡角α從60°增加到92°來增大相鄰模態之間的線間距x。另一方面，在高的neff範圍中(>1.5)，可藉由將稜鏡角α從60°改變到92°來縮小模線115之間的線間距x，從而提高靈敏度改良與動態範圍之間的有利取捨。
此特徵對於量測DIOX基板20特別有用，因為在高有效折射率範圍中的模線間距x遠大於在低有效折射率範圍中的模線間距x。因此，可以選擇稜鏡 角α，使得分隔較開的模線115可以在空間上壓縮，同時較緊密的模線可以在空間上減壓縮(即分散開)。模線間距的這種壓縮和減壓縮是由於對於不同的模線115反射光62R在輸出表面46離開耦合稜鏡40時的不同折射角。
由定義，此壓縮和減壓縮改變(扭曲、調整等)實際或真實模譜而需要在模線115被檢測器110檢測之後進行校正(重新調整、去失真等)。雖然這種校正增加了一個步驟到量測和標定特徵的方法中，但由於模線115的選擇性壓縮和減壓縮的模譜改變允許模譜(或光譜)以提供足夠檢測器像素112p的方式適應檢測器110內，以適當地對所有檢測到的模線取樣。這提供了有效利用的現存檢測器尺寸，並避免增加檢測器尺寸(這通常意味著購買更大和更昂貴的檢測器110)的需求，以獲得模譜或光譜的適當空間取樣，並使用較大且較昂貴的光學系統來收集整個光譜的光。
如第5A圖和第5B圖所示，可以看出的是，對於低有效折射率範圍來說，稜鏡角α越大則靈敏度的改良越好。然而，為了擷取所有模態的整個光譜，稜鏡角α必須小於如上定義的最大稜鏡角αmax。最大稜鏡角αmax取決於稜鏡折射率np和基板20的折射率ns。
第7圖繪製基板折射率ns=1.45、1.46、1.47、1.48、1.49、1.50及1.51的最大稜鏡角αmax對比稜鏡折射率np。第8圖繪製稜鏡折射率np=1.7298的最大稜鏡角αmax對比基板折射率ns。可以看出的是，最大稜鏡角αmax幾乎隨著基板20的折射率ns線性增加。
當反射光62R從耦合稜鏡40內以接近臨界角的大入射角β1入射在輸出表面46時，在TM和TE偏振之間會有大的反射率差異。這在同時截取TM和TE模譜時會造成一些實際的問題，例如第3B圖所圖示。具體來說，TE模譜可能具有明顯較少的光到達檢測器110。因此，在實例的實施例中，輸出表面46包括被 最佳化用於所需範圍的待量測有效折射率neff之入射角β1特徵範圍的抗反射塗層。
在一實例中，將稜鏡角α選擇為略小於最大稜鏡角αmax。在不同實例中，稜鏡角α是在0.81αmax
Figure TWI680285B_D0019
α
Figure TWI680285B_D0020
0.99αmax的範圍中、或在0.90αmax
Figure TWI680285B_D0021
α
Figure TWI680285B_D0022
0.99αmax的範圍中、或在0.95αmax
Figure TWI680285B_D0023
α
Figure TWI680285B_D0024
0.99αmax的範圍中。
一旦使用具有耦合稜鏡40(具有依上述選擇的稜鏡角α)的系統10進行模譜的量測，則使用控制器150來後處理量測的模譜。這是因為由於具有不同輸出角β2的不同模線115，模譜是「失真」的。換句話說，相鄰模態之間的間距被以非線性的方式影響，如方程式(5)給出的dβ2/dneff所定義的並如第5圖所圖示。幸運的是，基於系統10的特定操作參數，模譜的「失真」或選擇性調整是良好定義且已知的，所以可以藉由使用控制器150後處理量測的光譜來進行校正。方程式(5-6)可以被控制器150用來進行後處理校正，而方程式(6)可以被控制器150用來在TE和TM模譜的相鄰模態之間建立適當的間距△n eff 。在替代的實施例中，n eff 是使用在前述’377公開中揭示的精確公式直接從感測器上的位置x計算出。
對應於影像中心的x坐標xcenter指定有效折射率。然後通過以下關係找出對應於中心折射率的出射角：
Figure TWI680285B_D0025
 使用上述關係，對應於感測器上的任何位置x的有效折射率可以經由以下確切的關係找出：
Figure TWI680285B_D0026
然後控制器150使用所屬技術領域中習知的計算繼續計算DIOX基板20的上述特徵中之至少一者。
第9A圖為圖示實例的理想、純淨、無失真(當dβ2/dneff在量測的角度範圍間大致恆定時)或未以其他方式改變的模譜113之示意圖，模譜113具有的模線115具有相應的模線間距△x，△x如以上所討論的作為模階的函數改變。這種理想的模譜113存在於基板稜鏡界面50，但不容易接近，因此一般不能直接量測。
第9B圖類似於第9A圖並圖示模譜113’為模譜113的調整版本。在調整過的模譜113’中，模線間距發生了變化，並由△x’定義，如由連接相應模線115的虛線所指示。如以上討論的，由於與不同模態的模譜相關的反射光62R在輸出表面46的折射，模線間距出現變化。注意到在模譜113’中分隔較開的低階模態L之調整模線間距△x’與理想模譜113相比如何減少，同時較緊密間隔的高階模態H之模線間距與理想模譜相比增加。在實例中還注意到的是，調整模譜113’的整體尺寸與第9A圖的理想模譜113大約相同。
第9C圖圖示對調整版本的模譜113’進行校正(或重新調整)以獲得第9A圖的校正(未調整)模譜113，假定模譜113是先前未知的。這個校正的完成是藉由了解到系統10的結構(包括耦合稜鏡40的結構)以及折射如何在耦合稜鏡的輸出表面46影響與不同模態的原始或真模譜113之不同模線115相關的量測光62之路徑。如上所述，方程式(5-6)提供模線間距△x的變化為有效折射率neff的函數之間的關係。因此，可經由在電腦可讀媒體(例如軟體)中執行方程式(6)來使用控制器150獲得真實或未經調整的模譜113。
所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見的是，可以在不偏離如所附申請專利範圍中界定的揭示之精神或範圍下對本文所述的揭示之較佳實施例進行各種修改。因此，本揭示涵蓋這些修改和變化，前提是這些修改和變化落入所附申請專利範圍及該申請專利範圍之均等物的範圍內。

Claims (10)

  1. 一種用於量測一波導件之至少一模譜的量測系統，該波導件被形成在一基板之一頂部表面中並具有一大於50微米的層深度(DOL)，該系統包含：一耦合稜鏡，具有一輸入表面、一輸出表面和一耦合表面、一折射率np、及一介於該輸出表面和該耦合表面之間的稜鏡角α，其中該耦合表面與在該基板頂部表面的該波導件接合，從而界定一基板稜鏡界面；一光源系統，設以通過該稜鏡之該輸入表面照射該基板稜鏡界面，從而形成反射光，該反射光包括具有一第一尺寸的至少一模譜之模線，其中該反射光從該耦合稜鏡之該輸出表面離開；一光檢測器系統，具有一檢測器，並被設置來接收來自該耦合稜鏡的該反射光及在該檢測器上檢測該至少一模譜；及一控制器，設以處理所檢測的至少一模譜，以將由該反射光在該耦合稜鏡之該輸出表面的折射所造成的一模線失真校正為一具有一第二尺寸的校正模譜；以及其中該耦合稜鏡具有一等於臨界角的最大稜鏡角αmax，在大於該臨界角下該反射光在該稜鏡的該輸出表面被全內反射，並且其中該稜鏡角α是在0.81αmax α0.99αmax的範圍中，而且其中該第一尺寸大致上與該第二尺寸相同。
  2. 如請求項1所述之量測系統，其中該稜鏡角α是在0.90αmax α0.99αmax的範圍中。
  3. 如請求項2所述之量測系統，其中該稜鏡角α是在0.95αmax α0.99αmax的範圍中。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之量測系統，其中該至少一模譜包括一TE模譜和一TM模譜。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之量測系統，其中該檢測器包括一檢測該TE模譜的第一區段及一檢測該TM模譜的第二區段。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之量測系統，其中該稜鏡角α大於90°。
  7. 一種量測一波導件之模譜的方法，該波導件被形成在一基板之一頂部表面中並具有一大於50μm的層深度(DOL)，包含以下步驟：使一耦合稜鏡與該基板接合以形成一基板稜鏡界面，該耦合稜鏡具有一由一輸出表面界定的耦合稜鏡角，並且該耦合稜鏡角是在0.81αmax α0.99αmax的範圍中，其中αmax界定一與在該耦合稜鏡內發生全內反射相關的最大耦合稜鏡角；導引光通過該耦合稜鏡到達該基板稜鏡界面，以形成反射光，該反射光包括該波導件之至少一模譜的模線，其中該反射光從該耦合稜鏡之該輸出表面離開；檢測離開該耦合稜鏡的該反射光之該至少一模譜的模線，其中由於該反射光在該耦合稜鏡之該輸出表面折射，該等模線具有一調整過的模線間距；以及在該檢測之後校正該調整過的模線間距。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該稜鏡角α大於90°。
  9. 如請求項7或請求項8所述之方法，進一步包括基於校正過的模線間距測定該波導件之至少一特徵。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該波導件之該至少一特徵包括下列中之一者或更多者：表面應力、應力分佈、壓縮應力、該DOL、折射率分佈及雙折射。
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