光學波導的測試及分析
一、實驗目的：
（1）了解光學波導的基本結構和功能；
（2）了解光學波導的製作過程及工藝；
（3）掌握光學波導效能的測試方法。
二、實驗裝置：
雷射器 1臺
三維調節架 2個
顯微物鏡 2個
光波導載物台 1個
波導分析儀 1臺
三、實驗原理：
1、光學波導原理
光學波導是整合光學所用的媒質材料，要具有一定的折射率，一般是比襯底折射率高。這樣光在其中傳播就可以形成全反射，光的傳播如圖1所示。光束限制在波導介質中的條件為:
sin=n2/n1
稱為臨界角。
圖1平板波導的的導波原理圖
2、玻璃結構與離子交換機理
玻璃的折射率取決於玻璃單位體積內的離子極化率，所以可以用改變玻璃成分的方法改變它的折射率。通常玻璃的結構可理解為一些不規則的連續網狀結構。組成玻璃的物質分為三種，網路構成物，網路中間物，網路修飾物。
網路構成物一般為si02, ge02, b203, p2o5和as20等。網路構成物的含量越高，玻璃的轉變溫度越高。網路中間物不能單獨形成玻璃，但可以加強玻璃網路之間的聯絡,影響玻璃的熱學、化學、力學、色散、折射率等物理化學效能。
如al2o3、cao、mgo等。最後一種網路修飾物與網路殘餘鍵的結合相對疏鬆，可以降低玻璃的轉變溫度。常見的有li2o、na2o、k20、ag2o等。
以矽酸鹽玻璃為例，其基本骨架是二氧化矽(si02)，矽原子和氧原子按矽氧四面體的方式相互結合。在矽氧四面體中，矽的電價已經飽和了，而氧能夠同時與兩個矽連線在一起。因此矽酸鹽玻璃就是以矽氧四面體為基本結構單元，相互間以頂角上的氧原子連線在一起的空間配位網，故矽氧四面體又稱為網格生成體。
若玻璃中還含有另一些氧化物，它們的氧離子將參加配位網結構，金屬離子則無確定位置，佔據著網格間的空位。這些氧化物稱為網格修飾劑。例如，氧化鈉的作用是使兩個si0四面體之間形成環的乙個橋聯氧離子被兩個非橋聯的氧離子所代替，造成玻璃結構網的區域性中斷，同時，鈉離子佔據在非橋聯氧離子的網格間隙中。
由於網格修飾離子與網格的結合是不牢固的，很容易在網格之間發生遷移，與溶液或融鹽中的一價鹼離子在玻璃表面處發生交換。離子交換可以視作兩種或兩種以上離子之間的相互擴散，如圖2所示。離子交換使折射率增加或減小，由以下兩個因素所致。
第乙個因素與交換離子的原子大小尺寸有關。如果用li+代替na+, k+這樣的大離子，玻璃網格在小離子的周圍發生潰坍，產生相當密集的結構，具有高的折射率;如果用大離子替代小離子，網格膨脹，產生稀疏結構，得到較低的折射率。第二個因素是考慮電子位移極化率。
如果用電子位移極化率較大的ti十cs+、ag十、rb+或k+離子交換電子位移極化率較小的na+離子，折射率會變大。
圖 2 離子交換原理圖
3、 稜鏡耦合法
圖 3 輸入耦合圖4 輸出耦合
稜鏡耦合就是用高折射率的稜鏡，將入射光波與波導模進行相位匹配，來實現波導光激勵。圖3和圖4分別為輸入和輸出耦合的結構圖。夾具將波導和三稜鏡夾在一起，薄膜表面和稜鏡之間有一層空氣間隙。
n0,n1,n2,n3,分別代表玻璃襯底，薄膜，空氣，稜鏡的折射率，θ是波導模的鋸齒形光線在薄膜上下介面的入射角（模角），是雷射束射入稜鏡的入射角。h為薄膜厚度，d為空氣間隙的高度。當d足夠小，光束以θ角射入稜鏡底面，該光束在波導中傳播常數β為
為光波在波導薄膜中的波矢，為光在真空中的波矢。所以上式可以寫成
當θ大於大於全反射臨界角即時，空氣間隙中產生的消逝場部分滲透到薄膜中從而激起波導導模 ，形成輸入光束。同時，薄膜中導模也在空氣中產生消逝場，滲透到稜鏡中形成輸出光束。調整θ使導模的傳播常數等於上式中的值時，到達波導層的消逝波與導模之間相位匹配，產生耦合，從而激勵起導光波。
此時，稜鏡底面不再是全反射，入射光的功率嚮導波功率轉移。
當稜鏡耦合器作為輸出耦合時，結構圖見圖4。輸出光的每乙個模式，對應不同的入射角。用顯示屏或感光器件接收輸出光，可以觀察到與模式對應的m線。
這種圖形出現在與被激勵起的導模階數m相對應的方向上 ，它以亮點為中心，在沿與出射面垂直的方向上出現隨著與波導距離的變大，其彎曲程度變緩，亮度變暗的條紋。
meticon model 2010 prism coupler波導分析儀的測量原理就是稜鏡耦合原理，稜鏡、波導、耦合頭及光探測器安裝在乙個旋轉平台上。調整θ使導模的傳播常數等於上式中的值時，產生耦合，光探測器探測到的光強明顯減小。波導的折射率和厚度通過下式計算得到
和為空氣-膜和膜-襯底表面的菲涅爾相位移。
四、波導製作
1、 玻璃的製備
常見的玻璃有磷酸鹽玻璃、矽酸鹽玻璃，硼矽酸鹽玻璃碲酸鹽玻璃等。首先，根據設計玻璃組分計算每種成分的質量，然後按圖5所示過程製作玻璃。如圖所示，具體製備過程為：
按照設計、計算好的玻璃成分精確稱量玻璃成分，然後放入瑪瑙研缽中將玻璃組分粉末研磨均勻，將經過研磨後的玻璃配料粉末裝進剛玉坩堝，放入矽鋁高溫爐中，不同的玻璃成分需要加熱的溫度不同，具體的加熱溫度因玻璃成分而定。然後將熔融態的玻璃倒入不鏽鋼模子中快速冷卻成形，然後將玻璃放近退火爐中退火數小時以消除玻璃內部應力後，然後自然冷卻到室溫。將所得到的玻璃切割成長方體並打磨拋光以便離子交換和測試其相關的效能。
圖5玻璃製備過程示意圖。
1.稱量2.研磨3.剛玉坩堝4.矽鑰高溫爐5，不鏽鋼模子6.退火爐7.打磨拋光8.製作好的摻玻璃
2、 離子交換過程
本實驗採用熔融鹽離子交換法。當溫度達到一定高度時，硝酸鹽熔化，玻璃中網路修飾物離子獲得足夠的動能，擺脫離子鍵的束縛，從網路中的乙個空位遷移到另乙個空位。當這些離子脫離玻璃表面時，同時，熔融鹽中的離子從濃度高的地方向濃度低的地方擴散，擴散到玻璃中，這樣就發生離子交換。
交換溫度的選擇高於硝酸鹽的熔點，以確保離子在熔體中高速移動低於玻璃的軟化點，過高玻璃分解產生。即使交換溫度接近硝酸鹽的分解溫度。這對波導性質沒有明顯的影響。
離子交換在坩堝中進行，將要交換的玻璃和裝有硝酸鹽的坩堝同時放入井式加熱電爐中，待達到交換溫度時，將玻璃片放入熔融的硝酸鹽中，離子交換結束後，從熔體中取出玻璃片，取出玻璃，關閉電爐，冷卻到室溫。先用去離子水清洗，再用丙酮洗。
五、實驗內容及步驟
1了解光學波導的原理及製作工藝
2 按圖6連線實驗裝置.
(1) 先將雷射器調節水平,使雷射器中心和顯微物鏡光波導盡量在同一直線上.
(2) 開啟雷射電源,調節三維調節架和光波導載物台使光耦合到玻璃內,然後慢慢調節三維調節架和光波導載物台,使光耦合到光波導內,觀察實驗現象.
(3) 調節載物台,觀察玻璃基質中形成幾處光波導?
3 關閉雷射器.
4 在波導分析儀中測量光波導折射率和光學模式
圖6 端麵耦合示意圖
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