Жұқа пленкалық толқын жетектеріне қуатты қосуға арналған призмалық байлауыш
Prism coupler
Призмалық байлауыш: жарық сәулесін жіңішке пленкаға тікелей бағыттайтын құрылғы. Интегралды оптиканың дамуына ықпал етті. Теориясы алғаш рет КСРО-да жарияланды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Призмалық жалғаушы – жарық сәулесінің (мысалы, лазер сәулесінің) қуатының маңызды бөлігін, пленка шетін жоғары дәлдікпен жылтырату қажеттілігінсіз, сәуленің және пленка шетінің субмикрометрлік дәлдікпен туралану қажеттілігінсіз, сондай-ақ сәуленің сандық апертурасын пленкаға сәйкестендіру қажеттілігінсіз, толқын жетекшісі ретінде қолданылатын жұқа пленкаға өткізуге арналған призма. Призмалық жалғаушыны қолдану арқылы жұқа пленкаға өткен сәуленің диаметрі пленка қалыңдығынан жүздеген есе артық болуы мүмкін. Бұл жалғаушының ойлап табылуы интегралды оптика деп аталатын жаңа ғылым саласының қалыптасуына ықпал етті.
A prism coupler is a prism designed to couple a substantial fraction of the power contained in a beam of light (e. g., a laser beam) into a thin film to be used as a waveguide without the need for precision polishing of the edge of the film, without the need for sub micrometer alignment precision of the beam and the edge of the film, and without the need for matching the numerical aperture of the beam to the film. Using a prism coupler, a beam coupled into a thin film can have a diameter hundreds of times the thickness of the film. Invention of the coupler contributed to the initiation of a field of study known as integrated optics.
Тарих
Призмалық жалғаудың негізінде жатқан теория алғаш рет Кеңес Одағында жарияланды. Бұл жұмыс АҚШ-та белгілі болған жоқ. 1969 жылдан бастап Вашингтон университетіндегі Шуберт, Харрис және Полки, сондай-ақ, тәуелсіз түрде Белл зертханасындағы Тьен, Ульрих және Мартин призмалық жұптаудың және оның негізгі теориясының алғашқы тәжірибелерін сипаттады. Бұл жұқа пленкаларды құрылғыларда қолдану ниетімен жасалды.
The theory underlying the prism coupler was first published in the Soviet Union. This work was not known in the US. Starting in 1969, Shubert, Harris, and Polky at the University of Washington, and, independently, Tien, Ulrich, and Martin, at Bell Laboratories described the first experiments with prism coupling and its underlying theory. This was done with a view toward device applications of thin films.
Конфигурациясы
Призмалық жалғаушы лазер сәулесінің қуатын жұқа пленкаға жалғау үшін қолданылады. Пленка шыны микроскоп слайды сияқты негізге орналасады және оның қалыңдығы түсетін жарықтың толқын ұзындығына тең болуы мүмкін (жасыл жарық үшін 0,550 мкм). Пленканың сыну көрсеткіші шыны слайдтың сыну көрсеткішінен жоғары болса, пленка пленка-шыны интерфейсінен (және пленка-ауа интерфейсінен) толық ішкі шағылысу арқылы жарық үшін диэлектрлік жазық толқын жетекшісі ретінде қызмет ете алады. Призмалық жалғаушы жоғары сыну көрсеткіші бар шыныдан жасалған текшеден және толқын жетекшісінің пленкасына жанасқан төменгі жағындағы екінші жұқа қабаттан тұрады, ол жалғау қашықтығында бағытталған толқынды ішінара ұстау функциясын атқарады. Призманың төменгі жағындағы жұқа қабатқа туннельдеу қабаты деп аталады. Туннельдеу қабатының сыну көрсеткіші толқын жетекшісінің пленкасынан төмен болуы керек және ол ауа қабаты ретінде іске асырылуы мүмкін. Туннельдеу қабатының қалыңдығы толқын ұзындығының бір бөлігіне тең болады (көрінетін жарық үшін оннан жүздеген нанометрге дейін). Призма және туннельдеу қабаты толқын жетекшісінің пленкасына басылады. Сәуле призманың алдыңғы бетінен кіріп, призманың кіретін бетіне қарама-қарсы бетінен жартыдан астам сәуле ені қашықтықтағы туннельдеу қабатына соқтығады. Біріктірілген жалғаушы және толқын жетекші құрылымының төрт аймағының сыну көрсеткіштерінің реттілігі мынадай болуы тиіс: шыны слайдтың және туннельдеу қабатының сыну көрсеткіші ең төмен, одан кейін жетекші пленканың сыну көрсеткіші, ал призманың сыну көрсеткіші ең жоғары.
A prism coupler is used to couple the power from an incident laser beam into a thin film. The film lies on a substrate such as a glass microscope slide and might have a thickness of the order of the wavelength of the incident light (0.550 μm for green light). The refractive index of the film is made greater than that of the glass slide, the film can serve as a dielectric planar waveguide for light via total internal reflection off the film–glass interface (and film–air interface). The prism coupler consists of a near cube of high–refractive index glass and a second thin film at the bottom that contacts the waveguide film and serves the function of partially containing the guided wave over the coupling distance. The thin film at the bottom of the prism is referred to as the tunneling layer. The tunneling layer must have a lower refractive index than the waveguide film and may actually be implemented as a layer of air. The thickness of the tunneling layer will be on the order of a fraction of a wavelength (tens to hundreds of nanometers for visible light). The prism and tunneling layer are pressed against the waveguide film. The beam enters the front face of the prism and strikes the tunneling layer somewhat more than half a beam width away from the face opposite the entry face of the prism. The ranking of refractive indices of the four regions of the combined coupler and waveguide structure must be as follows: the refractive index of the glass slide and the tunneling layer must be lowest, next is the refractive index of the guide film, and highest is the index of the prism.
Ескертпелер
Гус Ханчен ауысуы – екі жартылай шексіз облыстың әртүрлі сыну көрсеткіштері арасындағы шекарадан толық шағылысқа ұшырағанда оптикалық сәуленің орталық нүктесінің ығысуын сипаттайды. Бұл ығысу әдетте жарық толқынының ұзындығына тең шамада болады. Егер жартылай шексіз призмадан, туннельдік қабаттан, толқын жетекшісінің қабықша қабатынан және жартылай шексіз шыны сырғыдан тұратын құрылымнан сәуленің шағылысуын зерттесек, басқарылатын толқынның оятылуы салдарынан ығысудың әлдеқайда үлкен болатыны анықталады. Түсетін сәуленің орталық нүктесінен сәл артық жердегі жоғарғы (призма) облысты тоқтату, сәуленің жарығын фильмдегі толқын жетекшісі режимінде тұтқындап қояды. Басқарылатын толқынды түсетін сәулемен оятуды байланыстырылған режимдердегі мәселе ретінде қарастыруға болады, мұнда режимдер – толқын жетекшісі режимі және түсетін сәуленің бейнесі. Бір байланыстырылған режимдер құрылымының бір тармағына енгізілген қуат құрылым бойымен екінші тармаққа ауысуы мүмкін.
The Goos Hänchen shift describes the displacement of the center point of an optical beam when it undergoes total reflection from the interface between two semi infinite regions of different refractive index. The displacement is generally of the order of the wavelength of light. If the reflection of a beam from a sandwich structure that consists of a semi infinite prism, a tunneling layer, a waveguide film layer, and a semi infinite glass slide is investigated, the shift will be found to be much larger as a consequence of the excitation of the guided wave. Terminating the upper (prism) region just beyond the midpoint of the incident beam traps the light of the beam in the waveguide mode in the film. Excitation of the guided wave by an incident beam can also be viewed as a problem in coupled modes, the modes being the waveguide mode and a representation for the incident beam. Power introduced into one branch of a coupled mode structure can transfer to the other branch along the structure.
Өлшеу қолданбалары
Призмалық қосқыштар – диэлектрлік және полимерлік қабаттардың сыну көрсеткіші/екі сынуын және қалыңдығын өлшеуге арналған құралдар. Материалдың сыну көрсеткіштері берілетін электромагниттік сәулеленудің толқын ұзындығына тәуелді болғандықтан, белгілі сыну көрсеткіші бар призмамен бірге монохроматты лазер қолданылады. Лазер сәулесі призманың бір жағынан бағытталады, сындырылады және әдетте қарсы жағындағы фотодетекторға кері шағылысады. Дегенмен, түсу бұрышы тетаның белгілі бір мәндерінде сәуле кері шағылыспайды, керісінше негіз арқылы үлгілік қабатқа өтеді. Бұл бұрыштар "режимдік бұрыштар" деп аталады. Компьютермен басқарылатын айналмалы үстел лазердің түсу бұрышын өзгертеді. Табылған бірінші режимдік бұрыш сыну көрсеткішін анықтайды, ал бір режимнен екінші режимге бұрыш айырмашылығы үлгінің қалыңдығын анықтайды. Призмалық қосқыштар толқын жетекшісінің қимасын ашпастан, толқын жетекшісіне жарықты кіргізуге және одан шығаруға мүмкіндік береді (жанама қосқыш). Бос кеңістіктен жұптасудың жалпы шарты:
Prism couplers are instruments used to measure the refractive index/birefringence and thickness of dielectric and polymer films. Since refractive indices of a material depend upon the wavelength of the electromagnetic radiation transmitted, a monochromatic laser is used in conjunction with a prism of known refractive index. The laser beam is directed through a side of the prism, bent, and is normally reflected back out the opposite side into a photo detector. However, at certain values of the incident angle theta, the beam does not reflect back out, but instead is transmitted through the base into the film sample. These angles are called "mode angles". A computer driven rotary table varies the incident angle of the laser. The first mode angle found determines the refractive index, and the angle difference from one mode to the next determines the sample thickness. Prism couplers also allow for coupling light in and out of a waveguide without exposing the cross section of the waveguide (edge coupling). The general condition for coupling from free space is
мұндағы – ауаның сыну көрсеткіші (~1), ал – толқын жетекшінің таралу тұрақтысы. Басқарылатын режим болуы үшін , бұл мүмкін емес, сондықтан фазалық сәйкестік шартын орындау үшін призма қажет. Толқын жетекшідегі m-інші режимнің таралу тұрақтысы мен толқын жетекші бетіне қалыпты бұрышпен түсетін жарық арасында фазалық сәйкестік болуы керек. мұндағы – призманың сыну көрсеткіші.
where is the index of air (~1) and is the propagation constant of the waveguide. In order to have a guided mode, This would imply that , which is not possible, and hence, this is why a prism is needed to achieved the phase matching condition. A phase matching condition is required between the propagation constant of the mth mode in the waveguide and the incident light at an angle normal from the waveguide surface. where is the index of refraction of the prism.