Prismenkoppler

Denise Klee April 6, 2016 P 10 0
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Ein Prisma-Kuppler ist ein Prisma zum Koppeln ein wesentlicher Anteil des in einem Lichtstrahl enthalten ist, in einem dünnen Film Kraft als Wellenleiter ohne die Notwendigkeit für Präzisionspolieren der Kante der Folie eingesetzt werden kann, ohne die Notwendigkeit für eine spätere Mikrometer Ausrichtgenauigkeit des Trägers und die Kante der Folie, und ohne die Notwendigkeit zur Anpassung der numerischen Apertur des Strahls auf den Film. Verwendung eines Prismas Koppler kann ein Strahl in einen Dünnfilm gekoppelt einen Durchmesser hundert Mal die Dicke des Films. Erfindung der Kuppler trug zur Einleitung eines Studien als integrierte Optik bekannt.

Geschichte

Die Theorie der Prismenkoppler zugrunde liegenden wurde zuerst in der Sowjetunion veröffentlicht. Diese Arbeit wurde nicht in den USA bekannt. Beginnend im Jahr 1969, Shubert, Harris, und Polky an der University of Washington, und unabhängig davon Tien, Ulrich, und Martin, in den Bell Laboratories beschrieb die ersten Versuche mit Prismenkopplung und der zugrunde liegenden Theorie. Dies wurde im Hinblick auf die Geräteanwendungen von Dünnschichten erfolgt.

Configuration

Ein Prisma Koppler zum Koppeln der Leistung von einem einfallenden Laserstrahl in einen dünnen Film verwendet. Die Folie liegt auf einem Substrat, wie einem Glasobjektträger und kann eine Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge des einfallenden Lichts haben. Der Brechungsindex des Films ist grßer als der des Glas-Objektträger hergestellt ist, kann der Film als dielektrische planare Wellenleiter für Licht über innere Totalreflexion an der Glas-Grenzfilm dienen. Das Prisma Koppler besteht aus einem in der Nähe von Cube aus hochbrechenden Glas und einem zweiten dünnen Film an der Unterseite, die in Kontakt mit der Wellenleiterschicht und die Funktion der geführten Welle über den Kopplungsabstand teilweise enthält, dient. Der dünne Film an der Unterseite des Prismas wird als die Tunnelschicht bezeichnet. Die Tunnelschicht muss einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschicht aufweisen und kann tatsächlich als eine Luftschicht durchgeführt werden. Die Dicke der Tunnelschicht wird in der Größenordnung von einem Bruchteil einer Wellenlänge.

Das Prisma und Tunnelschicht gegen die Wellenleiterschicht gepresst. Tritt der Strahl in die Vorderfläche des Prismas und trifft auf die Tunnel-Schicht etwas mehr als eine halbe Strahlbreite entfernt von der Fläche gegenüber der Eintrittsfläche des Prismas. Die Rangfolge der Brechungsindizes der vier Regionen des kombinierten Koppler und Wellenleiterstruktur muß wie folgt sein: der Brechungsindex des Glas-Objektträger, und der Tunnelschicht muß niedrigsten ist, der nächste ist die Brechzahl der Leiterschicht und am höchsten ist, die Index des Prismas.

Theorie

Ein Prisma Koppler kann im Hinblick auf die Reziprozitätstheorem erläutert. Das Reziprozitätsgesetz erlaubt die relative Leistung durch einen einfallenden Strahl in dem dünnen Film verbunden ist, um aus der Lösung, um eine wechselseitige Problem berechnet werden. Im reziproken Problems ist eine Wellenleiter-Mode in dem Film der auf die Prismenkopplers. Abgesehen von erheblichen Streuung an der Prisma-Schnittstelle, die Wellenleitermode in der wechselseitigen Problem behält seine Form als Modus und breitet sich unter dem Prisma, Macht zu verlieren, da es aufgrund der Strahlung in das Prisma ausbreitet. Die Leistung in dem Prisma austritt als kollimierter Strahl in einem von der Ausbreitungskonstante der Wellenleitermodus und dem Brechungsindex des Prismas bestimmten Winkel. Strahlung in das Prisma tritt auf, weil das abklingende Schwanz des Wellenleitermodus den Boden des Prismas berührt. Der Wellenleiter-Modus tunnelt durch die Tunnelschicht.

Eine effiziente Kopplung von Licht in dem Film auftritt, wenn der einfallende Strahl an der Bodenfläche des Prismas bewertet, die gleiche Form wie der Richtstrahl im reziproken Problem hat. Wenn die Leistung sowohl des einfallenden Strahls und der reziproken Wellenleitermodus normalisiert wird die fraktionierte Kopplungsamplitude als Integral über das Produkt von der einfallenden Welle und der abgestrahlten Feld reziproken ausgedrückt. Das Integral ein Oberflächenintegral über die Bodenfläche des Prismas aufgenommen. Aus einer solchen integralen leiten wir drei Hauptfunktionen:

  • Zu koppeln, in einem signifikanten Bruchteil der einfallenden Leistung, muß der einfallende Strahl unter dem Winkel, die es Phase zu der Wellenleiter-Mode angepasst macht ankommen.
  • Das Querverhalten des Wellenleitermodus in den Film eingeführt wird wesentlich sein, daß der einfallende Strahl.
  • Wenn die Dicke der Tunnelschicht wird in geeigneter Weise eingestellt wird, ist es grundsätzlich möglich, zu koppeln nahezu das gesamte Licht im Strahl in die Wellenleiterschicht.

Unterdrücken der Quer Teil der Darstellung für die Felder, und unter x als Richtung nach links in Fig. 1, der Wellenleiter-Modus in der wechselseitigen Problems nimmt die monoton fallende Form

wobei α ist die Dämpfungsrate und die Ausbreitungskonstante der Wellenleitermode.

Die zugehörige Querfeld an der Unterseite des Prismas die Form

A eine Normierungskonstante.

Das Querfeld des einfallenden Strahls wird die Form haben

wobei f eine normalisierte Gaußsche oder andere Strahlform und βin die longitudinale Komponente der Ausbreitungskonstante des einfallenden Strahls.

Wenn βin = & beta; w, die Integration von

ergibt die Kopplungsamplitude. Einstellen α ermöglicht die Kopplung der Einheit zu nähern, abgesehen von bedeutenden geometrieabhängige Beugungseffekte.

Bemerkungen

Den Schmieren-Hänchen Verschiebung beschreibt die Verschiebung des Mittelpunkts eines optischen Strahls, wenn er Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen zwei Halbraum Bereiche unterschiedlicher Brechungsindex erfährt. Die Verschiebung wird im allgemeinen in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts. Wenn die Reflexion eines Strahls aus einer Sandwichstruktur, die aus einem semi-infinite Prisma, eine Tunnelschicht, eine Wellenleiterfilmschicht und einer semi-infiniten Glasträger besteht, wird untersucht, wird die Verschiebung zu finden viel größer als Folge zu sein der Anregung der geführten Welle. Beenden der obere Bereich gerade über der Mitte des einfallenden Strahls abfängt, das Licht des Strahls im Wellenleiter-Mode in dem Film.

Anregung der geführten Welle, die von einem einfallenden Strahl kann auch als ein Problem in der gekoppelten Moden betrachtet werden, wobei die Moden der Wellenleiter-Modus und eine Darstellung für den einfallenden Strahl. Strom in einen Zweig einer gekoppelten Modenstruktur eingeführt wird, kann auf dem anderen Zweig entlang der Struktur zu übertragen.

Messanwendungen

Prismenkoppler sind Instrumente verwendet werden, um den Brechungsindex / Doppelbrechung und die Dicke der dielektrischen und Polymerfilmen zu messen. Da Brechungsindizes eines Materials hängen von der Wellenlänge der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung, wird ein monochromatischer Laser in Verbindung mit einem Prisma mit bekanntem Brechungsindex verwendet. Der Laserstrahl wird durch eine Seite des Prismas, gebogen gerichtet und wird in der Regel wieder aus der gegenüberliegenden Seite in einen Photodetektor reflektiert. Jedoch bei bestimmten Werten des Einfallswinkels Theta, der Strahl nicht reflektiert wieder aus, sondern wird über die Base in das Filmprobe übertragen. Diese Winkel werden als "Modus Winkel". Eine computergesteuerte Drehtisch verändert den Einfallswinkel des Lasers. Der erste Modus Winkel gefunden bestimmt den Brechungsindex und die Winkeldifferenz von einem Modus zum nächsten bestimmt die Probendicke.

Prismenkoppler auch zur Einkopplung von Licht in den und aus dem Wellenleiter, ohne den Querschnitt des Wellenleiters zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird eine Phasenanpassungsbedingung zwischen der Ausbreitungskonstante der m-ten Modus in dem Wellenleiter und dem einfallenden Licht unter einem Winkel senkrecht von der Wellenleiteroberfläche erforderlich.

wo der Brechungsindex des Prismas.

wobei der Index der Luft und die Ausbreitungskonstante des Wellenleiters. Um eine geführte Mode haben ,. Dies würde bedeuten, dass, was nicht möglich ist.

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