Призматическая муфта - Prism coupler

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Сентябрь 2013) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) Эта статья предоставляет недостаточный контекст для тех, кто не знаком с предметом. Пожалуйста помоги улучшить статью к обеспечение большего контекста для читателя. (Февраль 2014) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

А призменный соединитель это призма разработан для передачи значительной части мощности, содержащейся в луче света (например, лазерном луче), в тонкую пленку, которая будет использоваться в качестве волновод без необходимости точной полировки края пленки, без необходимости дополнительноймикрометр точность совмещения луча и края пленки, и без необходимости согласования числовая апертура пучка к фильму. Используя призменный соединитель, луч, соединенный в тонкую пленку, может иметь диаметр, в сотни раз превышающий толщину пленки. Изобретение ответвителя способствовало началу области исследований, известной как интегрированная оптика.

История

Теория, лежащая в основе призменного соединителя, была впервые опубликована в Советский союз.^[1] Эта работа не была известна в США. Начиная с 1969 года, Шуберт, Харрис и Полки в Вашингтонский университет,^[2][3][4] и, независимо, Тьен, Ульрих и Мартин, в Bell Laboratories^[5][6][7] описал первые эксперименты с призматической связью и лежащую в ее основе теорию. Это было сделано с целью применения тонких пленок в устройствах.^[8][9]

Конфигурация

Призменный ответвитель с падающим лучом.

Призменный соединитель используется для передачи мощности падающего лазерного луча в тонкую пленку. Пленка лежит на подложке, такой как предметное стекло микроскопа, и может иметь толщину порядка длины волны падающий свет (0,550 мкм для зеленого света). Показатель преломления пленки сделан больше, чем у стеклянного предметного стекла, пленка может служить диэлектрическим планарным волноводом для света через полное внутреннее отражение от границы раздела пленка – стекло (и границы раздела пленка – воздух). Призменный соединитель состоит из ближнего куба с высоким -показатель преломления стекло и вторая тонкая пленка внизу, которая контактирует с волноводная пленка и выполняет функцию частичного сдерживания направленной волны на расстоянии связи. Тонкая пленка в нижней части призмы называется туннельный слой. Слой туннелирования должен иметь нижнюю показатель преломления чем волноводная пленка, и фактически может быть реализована в виде слоя воздуха. Толщина туннельного слоя будет порядка доли длины волны (от десятков до сотен нанометров для видимого света).

Призма и туннельный слой прижимаются к пленке волновода. Луч входит в переднюю грань призмы и ударяет в туннельный слой на расстоянии чуть более половины ширины луча от грани, противоположной входной поверхности призмы. Ранжирование показателей преломления четырех областей комбинированной структуры ответвителя и волновода должно быть следующим: показатель преломления стеклянного предметного стекла и туннельного слоя должен быть самым низким, затем следует показатель преломления направляющей пленки, а самым высоким - показатель преломления. индекс призмы.

Призменный ответвитель со светом, рассеянным от направленной волны и отражением от нижней части подложки.

Два призматических ответвителя с выходным лучом (справа), передаваемым посредством направленной волны и. падающий и отраженный лучи (слева).

Теория

Призменный соединитель можно объяснить с точки зрения теорема взаимности. Теорема взаимности позволяет вычислить относительную мощность, вводимую в тонкую пленку падающим лучом, исходя из решения обратной задачи. В обратной задаче волноводная мода в пленке (бегущая влево на первом рисунке) падает на призменный элемент связи. За исключением значительного рассеяния на поверхности раздела призмы, волноводная мода в обратной задаче сохраняет свою форму как мода и распространяется под призмой, теряя мощность при распространении из-за излучения в призму. Сила в призме проявляется как коллимированный пучок под углом, определяемым постоянной распространения волноводной моды и показателем преломления призмы. Излучение в призму происходит из-за того, что исчезающий хвост волноводной моды касается дна призмы. Волноводный режим туннели через туннельный слой.

Эффективное попадание света в пленку происходит, когда падающий луч (приходящий слева, показанный на первом рисунке), оцениваемый на нижней грани призмы, имеет ту же форму, что и излучаемый луч в обратной задаче. Когда мощность как в падающем пучке, так и в моде обратного волновода нормирована, относительная амплитуда связи выражается как интеграл над произведением падающей волны и излучаемого обратного поля. Интеграл - это поверхностный интеграл, взятый по нижней грани призмы. Из такого интеграла мы выводим три ключевые характеристики:

1. Чтобы связать значительную часть падающей мощности, падающий луч должен прибыть под углом, который делает его согласованным по фазе с модой волновода.
2. Поперечное поведение запускаемой в пленке волноводной моды (поперечный относительно направления распространения) будет по существу направлением падающего луча.
3. Если соответствующим образом отрегулировать толщину туннельного слоя, в принципе можно направить почти весь свет в пучке в пленку волновода.

Если исключить поперечную часть представления полей и взять x за направление налево на рис.1, волноводная мода в обратной задаче принимает монотонно убывающий вид

${ Displaystyle ехр влево (- int альфа (х) , dx + я бета _ {ш} х вправо)}$

где α (Икс) - коэффициент затухания, а ${ displaystyle beta _ {w}}$ это постоянная распространения волноводной моды.

Соответствующее поперечное поле в нижней части призмы принимает вид

${ displaystyle A { sqrt { alpha (x)}} exp left (- int alpha (x) , dx + i beta _ {w} x right)}$

с А а константа нормализации.

Поперечное поле падающего пучка будет иметь вид

${ Displaystyle е (х) ехр (-i бета _ {in} х)}$

куда ж(Икс) является нормализованным Гауссовский, или другой формы пучка, а β_в - продольная составляющая постоянной распространения падающего луча.

Когда β_в = β_ш, интеграция

${ displaystyle Af (x) { sqrt { alpha (x)}} exp left (- int alpha (x) , dx right)}$

дает амплитуду связи. Регулировка α (Икс) позволяет соединению приблизиться к единице, исключая значительные дифракционные эффекты, зависящие от геометрии.

Замечания

В Сдвиг Гуса-Хенхена описывает смещение центральной точки оптического луча, когда он полностью отражается от границы раздела между двумя полубесконечными областями разных показатель преломления. Смещение обычно порядка длины волны света. Если исследовать отражение луча от многослойной конструкции, состоящей из полубесконечной призмы, туннельного слоя, слоя волноводной пленки и полубесконечного стеклянного предметного стекла, то как следствие, будет обнаружено, что сдвиг будет намного больше. возбуждения направленной волны. Ограничение верхней (призменной) области сразу за средней точкой падающего луча улавливает свет луча в волноводной моде в пленке.

Возбуждение направленной волны падающим лучом также можно рассматривать как проблему в связанных режимах, причем модами являются волноводная мода и представление для падающего луча. Мощность, вводимая в одну ветвь конструкции со связанными модами, может передаваться в другую ветвь вдоль конструкции.

Приложения для измерений

Призменные соединители - это инструменты, используемые для измерения показатель преломления /двулучепреломление и толщина диэлектрик и полимер фильмы. Поскольку показатели преломления материала зависят от длина волны из электромагнитное излучение переданный, монохромный лазер используется вместе с призмой с известным показателем преломления. Лазерный луч направляется через одну из сторон призмы, изгибается и обычно отражается обратно в фотодетектор. Однако при определенных значениях угла падения тета луч не отражается обратно, а вместо этого проходит через основание в образец пленки. Эти углы называются «углами моды». Поворотный стол с компьютерным управлением изменяет угол падения лазер. Найденный угол первой моды определяет показатель преломления, а разница углов от одной моды к другой определяет толщину образца.

Призменные элементы связи также позволяют вводить свет в волновод и выходить из него, не обнажая поперечное сечение волновода (краевое соединение). Для достижения этого согласование фаз требуется условие между постоянной распространения m-й моды в волноводе ${ displaystyle beta _ {m}}$ и падающий свет под углом ${ displaystyle theta _ {m}}$ нормаль от поверхности волновода.

${ displaystyle beta _ {m} = { frac {2 pi} { lambda _ {0}}} n_ {p} cos theta _ {m}}$

куда ${ displaystyle n_ {p}}$ это показатель преломления призмы.

${ displaystyle beta _ {m} = kn_ {1} cos theta _ {m}}$

куда ${ displaystyle n_ {1}}$ - индекс воздуха (~ 1) и ${ displaystyle beta _ {m}}$ это постоянная распространения волновода. Чтобы иметь управляемый режим, ${ displaystyle beta _ {m}> kn_ {1}}$. Это означало бы, что ${ displaystyle sin theta _ {m}> 1}$, что невозможно.^[10]

Рекомендации