Призма Куплера: Теория и Применение в Интегрированной Оптике
Prism coupler
Призма Куплера: принцип работы, применение для ввода света в тонкие плёнки без прецизионной полировки. Основы теории разработаны в СССР. Интегрированная оптика.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Призма-соединитель – это призма, предназначенная для ввода существенной части мощности светового пучка (например, лазерного) в тонкую пленку, используемую в качестве волновода, без необходимости прецизионной полировки края пленки, без требования субмикрометрической точности выравнивания пучка и края пленки, и без необходимости согласования числовой апертуры пучка с пленкой. При использовании призмы-соединителя диаметр пучка, введенного в тонкую пленку, может превышать толщину пленки в сотни раз. Изобретение данного соединителя способствовало зарождению области исследований, известной как интегральная оптика.
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.
История
Теория, лежащая в основе призменного сопряжения, была впервые опубликована в Советском Союзе. Эта работа была неизвестна в США. Начиная с 1969 года, Шуберт, Харрис и Полки из Университета Вашингтона и, независимо от них, Тиен, Ульрих и Мартин из Лабораторий Белла описали первые эксперименты с призменным сопряжением и его теоретические основы. Это было сделано с прицелом на практическое применение тонких плёнок в устройствах.
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.
Конфигурация
Призмальный соединитель используется для ввода мощности падающего лазерного луча в тонкую пленку. Пленка располагается на подложке, например, на стеклянном предметном стекле микроскопа, и может иметь толщину порядка длины волны падающего света (0,550 мкм для зеленого света). Если показатель преломления пленки больше, чем у стеклянного стекла, пленка может функционировать как диэлектрический планарный волновод для света за счет полного внутреннего отражения от границы пленка-стекло (и пленка-воздух). Призмальный соединитель состоит из почти кубической детали из стекла с высоким показателем преломления и второй тонкой пленки внизу, которая контактирует с волноводной пленкой и частично удерживает направляемую волну на протяжении длины сопряжения. Тонкая пленка в нижней части призмы называется туннельным слоем. Туннельный слой должен иметь более низкий показатель преломления, чем волноводная пленка, и может быть реализован, например, в виде воздушного зазора. Толщина туннельного слоя составляет порядка доли 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, немного превышающем половину ширины луча от грани, противоположной входной грани призмы. Ранжирование показателей преломления четырех областей комбинированной структуры соединителя и волновода должно быть следующим: показатель преломления стеклянного стекла и туннельного слоя должен быть наименьшим, затем показатель преломления волноводной пленки, а наибольшим – показатель преломления призмы.
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.
Замечания
Сдвиг Гуса Хенкена описывает смещение центральной точки оптического луча при полном внутреннем отражении от границы раздела между двумя полубесконечными областями с различными показателями преломления. Это смещение обычно составляет величину порядка длины волны света. Если исследовать отражение луча от многослойной структуры, состоящей из полубесконечной призмы, туннельного слоя, волноводной пленки и полубесконечного стеклянного субстрата, то смещение окажется значительно больше из-за возбуждения волноводной моды. Ограничение верхней (призмы) области непосредственно за серединой падающего луча приводит к захвату света луча в волноводную моду в пленке. Возбуждение волноводной моды падающим лучом также можно рассматривать как задачу о связанных модах, где модами являются волноводная мода и представление падающего луча. Энергия, вводимая в одну из ветвей структуры связанных мод, может передаваться в другую ветвь вдоль этой структуры.
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.
Приложения для измерений
Призменные сцепления – это приборы, используемые для измерения показателя преломления/двулучепреломления и толщины диэлектрических и полимерных пленок. Поскольку показатели преломления материала зависят от длины волны передаваемого электромагнитного излучения, монохроматический лазер используется совместно с призмой с известным показателем преломления. Лазерный луч направляется через боковую поверхность призмы, преломляется и обычно отражается обратно с противоположной стороны в фотодетектор. Однако при определенных значениях угла падения θ луч не отражается обратно, а вместо этого проникает через основание в образец пленки. Эти углы называются "углами моды". Компьютерно-управляемый поворотный стол изменяет угол падения лазера. Первый найденный угол моды определяет показатель преломления, а разность углов между соседними модами определяет толщину образца. Призменные сцепления также позволяют вводить и выводить свет в волновод, не открывая поперечное сечение волновода (торцевое соединение). Общее условие для соединения из свободного пространства:
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
где – показатель преломления воздуха (~1), а – постоянная распространения волновода. Для существования направленной моды это подразумевало бы, что , что невозможно. Поэтому призма необходима для обеспечения условия фазового согласования. Условие фазового согласования требуется между постоянной распространения m-й моды в волноводе и падающим светом под углом к нормали к поверхности волновода, где – показатель преломления призмы.
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.