[理学]§7 光波导特征参数的表征.pptVIP

光波导型生物化学传感器芯片及其制造方法 本发明接受一种可扩大允许的入射角范围，且维持高的灵敏度同时抑制光波导层中的光强度衰减的光波导型生物化学传感器芯片。这种光波导型生物化学传感器芯片包括：由玻璃或石英构成的基板，形成在所述基板的主面上的、向所述基板内部入射光、并从内部出射光用的一对光栅，形成在包含所述光栅的基板的主面的、厚度3 ～ 300μm、并由其折射率比基板高的高分子树脂构成的光波导层，以及具有形成在所述光波导层上的生物分子识别功能和信息变换功能的感测膜。 棱镜-波导耦合系统，由于棱镜的折射率高于波导薄膜，故棱镜介质和波导薄膜中的光波可通过光学隧道互相耦合。 但是，上述耦合效应不是在任何情况下都会发生的，只有在满足相位匹配的条件下才能发生。这就是要求棱镜中沿 z 轴方向的光波波矢必须与波导中导波的传播常数相等。 7.1.2 反射率公式与衰减全反射（ ATR ）谱 1、反射率公式 7 . 2 光波导传输损耗的测量 波导薄膜中导波光的传输损耗是评价介质光波的一个重要参数。制约波导能量传输效率的主要有以下因素: (1)由折射率分布不均匀或波导界面的粗糙 度引起的散射损耗； (2)光波导材料点阵离子、杂质离子或电子吸收引起的吸收损耗； (3)由波导弯曲或光学隧道引起的辐射损耗。 7. 2 . 1 光波导传输损耗的微扰计算 传统的测量聚合物薄膜热光系数的方法是阿贝折射计法，它是利用阿贝折射计测量聚合物薄膜的在不同温度下的折射率，然后用线性拟合的方法来得到聚合物材料的热光系数。 这种方法存在着一定局限性： ① 阿贝折射计由于光源的缘故使得测量的波长单色性比较差； ② 用阿贝折射计方法无法对 TM 波和 TE 波两种偏振态进行分别的测量，也就是说无法研究聚合物薄膜热光系数的偏振特性； ③ 用阿贝折射计无法在波导的环境中去研究聚合物薄膜的性质。 利用这种方法还可测量聚合物薄膜的二次电光系数（ quadratic electro-optic coefficient ) 。由于二次电光效应是一种三阶非线性光学效应，因此聚合物薄膜不需要极化，薄膜折射率的变化不是与电场的一次方成正比，而与电场的二次方成正比。 7 . 3 . 2 聚合物薄膜热光系数的测量 UP DOWN BACK * 共29页 * * 在线性光学范围内，介质平面波导的特征参数包括：波导模式的传播常数、传输损耗、导波层的折射率和厚度等。 在非线性光学范围内，平面波导的特征参数包括：线性和二次电光系数、倍频系数和热光系数等。 §7 光波导特征参数的表征 7 . 1 . 1 工作原理和 m 线光谱学 7 . 1 棱镜一波导耦合系统 1969 年，由贝尔电话实验室田炳耕教授领导的研究小组周用实验证明了能用棱镜高效率地激发介质光波导中的光导波。 称为同步条件，而θ3称为同步角。 调节入射激光束的方向，使得同步条件得以满足，在波导中激发出某一导模。由于实际波导绝不可能是理想的，总是存在光散射，于是这个导模的部分能量被耦合成其他的导模，这些导模将以不同的方向耦合出棱镜。每一个模式都有它自己的，满足同步条件的输出角，因此，在屏幕上可看到一组亮线，这些亮线是波导模式的精彩显示。 (7.2) (7.3) 式中 (7.4) (7.5) (7.6) (7.7) (7.8) 2 ．理想系统 系统中不存在散射和吸收，四种介质的折射率都不存在虚部的情况. 于是 从而有 这表明：在理想情况下，即使入射角满足同步条件，人射光的能量也不可能转移到波导中。但当系统（棱镜和波导）存在损耗（吸收和散射）时，式（ 7 . 11 ）、式 ( 7 . 12 ）和式（ 7 . 13 ）不再成立，因而式（ 7 . 14 ）也不再成立。换句话说，系统的损耗也是能量耦合的必要条件。 3 ．满足同步条件时的反射率公式 7 . 1 . 3 光波导薄膜厚度和折射率的测量 利用反射率公式，可用计算机模拟激发能量通过棱镜耦合进入波导的角度扫描过程，反射率随入射角的变化曲线也称为衰减全反射（ ATR ）谱，图 7 . 7 表示某波导 TE 或 TM 模的 ATR 谱. 式中 导波层存在吸收的波导结构如图 7 . 8 所示。图中衬底和覆盖层的折射率 n0 和 n2是实数，而 微扰波导的模式本征方程可表示为 实际波导 TE0 模的传输损耗，与传输矩阵数值方法的结果进行比较 实际波导的参数为 7 . 2 . 2 端面耦合法 用透镜把激光束会聚到波导端面，使用不同长度的波导样品，使光从波导的另一端面出射，并测量输入和输出光的功率P1 和P2 ，利用式（7.30）或式（7.31) ，就可确定波导的损耗. 7 . 3 光波导非线性光学参数的测量 7 . 3 . 1 极化聚合物薄膜电