光波导实验

一、CBG型光波导测试仪主要用途

CBG型光波导测试仪是一种用于科研和教学的光学仪器，它可用来演示光波导原理和光波导器件特性并准确测量介质薄膜参数，为光电子学科研单位和大专院校激光、应用物理、近代物理、无线电电子工程、光纤通讯薄膜光学及光学仪器等专业提供集成光学实验手段和薄膜参数测量手段。

仪器可用于如下各种实验:

(1)用对称棱镜耦合器的光波导m线实验;

(2)用直角棱镜耦合器的光波导输入和输出耦合实验;

(3)由膜折射率确定介质薄膜的厚度、折射率和折射率分布;

(4)金属包复光波导参数测量等。

用户若自己増加一些设备和附件，还能扩展仪器功能，可用来测量光波导的传播损耗和薄膜折射率色散等，并可用于电光、声光、磁光和非线性光波导器件实验及一些无源光波导器件实验。

仪器具有如下特点:

(1)薄膜参数测量归结于耦合角测量，测量方便，准确度较高；

(2)配有光具座和角度的投影放大读数系统，有利于教学实验；

(3)配有同步角和零位角的光电对准装置，灵敏度较高，且因其光路屏蔽较

好，不在暗室也能测量。

二、结构概述

仪器的外形和结构示于图1。它主要由固体激光器、偏振器、准直分束筒、测角转盘、探测电箱、导轨、支架等组成。其中，前四个部件由支架固定在导轨上，用支架的定位平移和锁紧螺钉，使这些部件可以旋转、升降和沿导轨平移。此外，激光器的支架还配有俯仰螺钉和转角螺钉用来调节水平和光轴。

1 半导体激光器 1.1夹具 1.2俯仰螺钉

2偏振器

3准直份束筒 3.1辅助透镜 3.2针孔垂直螺钉 3.3针孔平移螺钉 3.4零位探测器

4测角转盘 4.1X-Y平移台 4.2X-Y平移手轮 4.3投影测微器 4.4测角照明灯 4.5 粗调手轮 4.6 微调手轮 4.7微调锁紧螺钉

5探测电箱(内有零位电路板,M线电路板和直流电源)

6导轨

7支架

侧与m线探测器及测角照明灯相连，右侧与激光器和零位探测器相连。

三、主要技术规格和技术参数

1 固体激光器直流低压电源,其输出功率为1mw,最高5mw。

2 准直分束筒放大1.5倍，扩束后的平行光孔径为1.2-1.5mm，辅助透镜焦距为100mm。

3 测角转盘测角范围为360度，最小刻度为6秒，测角准确度优于±15秒。

4 光电探测系统零位的准确度优于±10秒，m线同步角的对准精度为±20秒。

5 外形尺寸为1000×280×300(m3m)，重量约为50公斤，导轨长度为900mm

6 附件有对称棱镜、直角棱镜、棱镜夹具、,m线观察屏和插座、m线接收筒和支架，对称棱镜和直角棱镜均由ZF6玻璃制成，其折射率和棱角可由用户自己测量。

四、工作原理

本仪器的主要实验对象是平面光波导，它由低折射率衬底上的高折射率薄膜组成。薄膜折射率为常数的波导叫做平板波导，而薄膜折射率为渐变分布的波导

x 如图5所示，因界面全内反射，特定的光线能够限制在薄膜内传播。这种光线称为导膜，它有两种偏振态，即TE 和TM 膜。一个波导可具有多个导膜，用正整数m=0、1、2…来做为标征不同模式的模阶数，一般写作TEm 和TMm 。每一导模满足入下模方程〔1〕～〔3〕：对于平板波导

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对于渐变波导

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1tan 41⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=--⎰m m xm m N n N n m kdx N x n ρπ

式中，k=2π/λ和λ分别为光波在真空中的传播常数和波长；Nm 为m 阶模的模折射率；ρ=0和1分别对应于TE 模和TM 模；x m 为渐变折射率波导中弧形光线的拐点座标，可由Nm =n(求得。

导模的激励一般采用棱镜—波导耦合式，棱镜—波导耦合系统的横截面结构和光波在其中的横向场分布，分别示于图6(a)和(b)。

合光斑以外区域只有从薄膜到棱镜的光能量耦合。显然，这两种耦合过程仅在耦合间隙适当时才能发生。较大的耦合间隙对应于弱耦合，而较小的耦合间隙对应于强耦合。

基于上述分析,利用耦合棱镜可做为光波导的输入—输出耦合实验和m线实

参数的测量归结于耦合角测量。

耦合角可表示为

αm=±(Гm-Г0)

式中, Гm为出现m线或传输条纹时的测微器的读数，称为同步角；Г0为激光束与棱镜斜面相垂直时的测微器的读数，称为零位角；正号和负号分别对应于激光束围绕棱镜斜面的法线偏向棱镜底和棱镜顶。

五、装调和使用

1 光路调整和实验观察

将激光器偏振器准直分束筒和测角转盘用各自的支架大致安装在导轨上，并调节后两个支架的间距，使辅助透镜和测角转盘中心的间距等于辅助透镜的焦距(即100mm)。用棱镜夹具将耦合棱镜压在光波导样品表面上，并置于测角转盘的X-Y平移台上，利用X-Y平移手轮使耦合棱镜处于转盘中心。

接通激光器电源，使激光器工作，在激光器和准直分束筒退出光路的情形下，利用激光器支架的旋转、升降和俯仰螺钉调整激光束的高度和方向，使激光束投射到耦合棱镜斜面上并与导轨基本平行，将耦合棱镜推出光路，又将偏振器和准直分束筒推入光路，利用各自支架的平移、转动螺钉调整其高度和方向，在辅助透镜退出光路的情形下，使激光束从准直分束筒出口的中心出射。

再将耦合棱镜推入光路，利用测角转盘的X-Y平移手轮细心调节耦合棱镜在转盘上的位置，使来自准直分束筒的平行光经过棱镜斜面投射到棱镜底的适当位置上，做到耦合光斑位于直角棱镜底接近直角压力点处或对称棱镜底接近中心的压力点处，并做到耦合光斑在同步角范围内随测角转盘的转动基本保持不动。

用棱镜夹具的螺钉细心调节夹具的压力，使耦合棱镜和光波导的耦合间隙保持适当程度，这时用粗调手轮和微调手轮转动测角转盘，逐个激励不同导模，能观察到薄膜中的传输条纹或观察屏上的m线(见图7)。用双棱镜夹具，将两个直角棱镜压在同一光波导样品表面上，可同时进行光波导的输入和输出耦合实验，如图7(a)所示。

在光路中，,辅助透镜的进入和退出，,分别产生汇聚和平行光，薄膜参数测量应用平行光，以便提高其测量精度。在光波导器件实验中，根据实验的具体要求可选用平行光或汇聚光，例如，仅追求较高的光波输入耦合效率，,应采用汇聚光束。

2 耦合角测量

(1)测量装置

为了提高测量精度，耦合角测量采用平行光束和光电对准装置，具体测

量装置如图8所示，其中，两个直角棱镜分别充当光波导的输入和输出耦合器。

使用输出棱镜，可以避免在只使用对称棱镜时棱镜底的反射光和散射光对m 线探测器信号的干扰，也能克服在只使用输入棱镜时不易观察低损耗光波导传输条纹的困难，以利于精确测量。