Un acoplador de prisma es un prisma diseñado para acoplar una fracción sustancial de la potencia contenida en un rayo de luz (por ejemplo, un rayo láser) en una película delgada que se utilizará como guía de ondas sin necesidad de pulir con precisión el borde de la película. , sin la necesidad de una precisión de alineación submicrométrica del haz y el borde de la película, y sin la necesidad de hacer coincidir la apertura numérica del haz con la película. Usando un acoplador de prisma, un rayo acoplado en una película delgada puede tener un diámetro cientos de veces el espesor de la película. La invención del acoplador contribuyó al inicio de un campo de estudio conocido como óptica integrada .
Historia
La teoría subyacente al acoplador de prisma se publicó por primera vez en la Unión Soviética . [1] Este trabajo no se conocía en los EE. UU. A partir de 1969, Shubert, Harris y Polky en la Universidad de Washington , [2] [3] [4] e, independientemente, Tien, Ulrich y Martin, en Bell Laboratories [5] [6] [7] describieron el primeros experimentos con acoplamiento de prismas y su teoría subyacente. Esto se hizo con miras a aplicaciones de dispositivos de películas delgadas. [8] [9]
Configuración
Se utiliza un acoplador de prisma para acoplar la potencia de un rayo láser incidente en una película delgada. La película descansa sobre un sustrato, como un portaobjetos de vidrio para microscopio, y puede tener un grosor del orden de la longitud de onda de la luz incidente (0,550 μm para la luz verde). El índice de refracción de la película es mayor que el del portaobjetos de vidrio, la película puede servir como guía de onda dieléctrica plana para la luz a través de la reflexión interna total de la interfaz película-vidrio (y la interfaz película-aire). El acoplador de prisma consiste en un cubo cercano de vidrio de alto índice de refracción y una segunda película delgada en la parte inferior que contacta con la película de la guía de ondas y tiene la función de contener parcialmente la onda guiada sobre la distancia de acoplamiento. La película delgada en la parte inferior del prisma se conoce como capa de tunelización . La capa de tunelización debe tener un índice de refracción más bajo que la película de guía de ondas y, de hecho, puede implementarse como una capa de aire. El grosor de la capa de efecto túnel será del orden de una fracción de longitud de onda (decenas a cientos de nanómetros para la luz visible).
El prisma y la capa de túnel se presionan contra la película de la guía de ondas. El rayo entra por la cara frontal del prisma y golpea la capa de túnel a algo más de la mitad del ancho del rayo de la cara opuesta a la cara de entrada del prisma. La clasificación de los índices de refracción de las cuatro regiones de la estructura combinada de acoplador y guía de ondas debe ser la siguiente: el índice de refracción del portaobjetos de vidrio y la capa de efecto túnel debe ser el más bajo, el siguiente es el índice de refracción de la película guía y el más alto es el índice del prisma.
Teoría
Un acoplador de prisma se puede explicar en términos del teorema de reciprocidad . El teorema de reciprocidad permite que la potencia relativa acoplada a la película delgada por un rayo incidente se calcule a partir de la solución de un problema recíproco. En el problema recíproco, un modo de guía de ondas en la película (que se desplaza hacia la izquierda en la primera figura) incide en el acoplador del prisma. Salvo una dispersión significativa en la interfaz del prisma, el modo de guía de ondas en el problema recíproco conserva su forma como modo y se propaga bajo el prisma, perdiendo potencia a medida que se propaga debido a la radiación hacia el prisma. La potencia en el prisma emerge como un haz colimado en un ángulo determinado por la constante de propagación del modo de guía de ondas y el índice de refracción del prisma. La radiación hacia el prisma se produce porque la cola evanescente del modo de guía de ondas toca la parte inferior del prisma. El modo de guía de ondas de túneles a través de la capa de efecto túnel.
El acoplamiento eficiente de la luz en la película ocurre cuando el haz incidente (que llega desde la izquierda que se muestra en la primera figura), evaluado en la cara inferior del prisma, tiene la misma forma que el haz irradiado en el problema recíproco. Cuando la potencia tanto en el haz incidente como en el modo de guía de ondas recíproco se normaliza, la amplitud de acoplamiento fraccional se expresa como una integral sobre el producto de la onda incidente y el campo recíproco radiado. La integral es una integral de superficie tomada sobre la cara inferior del prisma. De tal integral deducimos tres características clave:
- Para acoplar una fracción significativa de la potencia incidente, el haz incidente debe llegar al ángulo que hace que su fase coincida con el modo de guía de ondas.
- El comportamiento transversal del modo de guía de ondas lanzado en la película ( transversal a la dirección de propagación) será esencialmente el del haz incidente.
- Si el grosor de la capa de tunelización se ajusta adecuadamente, es posible, en principio, acoplar casi toda la luz del haz en la película de la guía de ondas.
Suprimiendo la parte transversal de la representación de los campos, y tomando x como dirección hacia la izquierda en la Fig.1, el modo de guía de ondas en el problema recíproco toma la forma monótonamente decreciente
donde α ( x ) es la tasa de atenuación yes la constante de propagación del modo de guía de ondas.
El campo transversal asociado en la parte inferior del prisma toma la forma
con A una constante de normalización .
El campo transversal del haz incidente tendrá la forma
donde f ( x ) es una forma de haz gaussiana normalizada u otra, y β in es la componente longitudinal de la constante de propagación del haz incidente.
Cuando β in = β w , integración de
produce la amplitud de acoplamiento. El ajuste de α ( x ) permite que el acoplamiento se acerque a la unidad, salvo efectos de difracción significativos que dependen de la geometría.
Observaciones
El desplazamiento de Goos-Hänchen describe el desplazamiento del punto central de un haz óptico cuando sufre una reflexión total desde la interfaz entre dos regiones semi-infinitas de diferente índice de refracción . El desplazamiento es generalmente del orden de la longitud de onda de la luz. Si se investiga la reflexión de un rayo de una estructura sándwich que consta de un prisma semi-infinito, una capa de túnel, una capa de película guía de ondas y un portaobjetos de vidrio semi-infinito, se encontrará que el desplazamiento es mucho mayor como consecuencia. de la excitación de la onda guiada. La terminación de la región superior (prisma) justo más allá del punto medio del haz incidente atrapa la luz del haz en el modo de guía de ondas en la película.
La excitación de la onda guiada por un haz incidente también puede verse como un problema en los modos acoplados, siendo los modos el modo de guía de ondas y una representación del haz incidente. La energía introducida en una rama de una estructura de modo acoplado puede transferirse a la otra rama a lo largo de la estructura.
Aplicaciones de medición
Los acopladores de prisma son instrumentos que se utilizan para medir el índice de refracción / birrefringencia y el espesor de películas dieléctricas y poliméricas . Dado que los índices de refracción de un material dependen de la longitud de onda de la radiación electromagnética transmitida, se utiliza un láser monocromático junto con un prisma de índice de refracción conocido. El rayo láser se dirige a través de un lado del prisma, se dobla y normalmente se refleja hacia el lado opuesto hacia un fotodetector. Sin embargo, a ciertos valores del ángulo de incidencia theta, el haz no se refleja hacia afuera, sino que se transmite a través de la base a la muestra de película. Estos ángulos se denominan "ángulos modales". Una mesa giratoria impulsada por computadora varía el ángulo de incidencia del láser . El primer ángulo de modo encontrado determina el índice de refracción y la diferencia de ángulo de un modo al siguiente determina el espesor de la muestra.
Los acopladores de prisma también permiten acoplar la luz dentro y fuera de una guía de ondas sin exponer la sección transversal de la guía de ondas (acoplamiento de borde). Para lograr esto , se requiere una condición de adaptación de fase entre la constante de propagación del modo m en la guía de ondasy la luz incidente en ángulo normal desde la superficie de la guía de ondas.
dónde es el índice de refracción del prisma.
dónde es el índice de aire (~ 1) y es la constante de propagación de la guía de ondas. Para tener un modo guiado,. Esto implicaría que, lo cual no es posible. [10]
Referencias
- ^ LV Iogansen, "Teoría de los sistemas electromagnéticos resonantes con reflexión interna total III", Sov. Phys. Tech. Phys., Vol. 11, págs. 1529-1534, mayo de 1967.
- ^ JH Harris y R. Shubert, "Transferencia de potencia óptima de un haz a una onda de superficie", Conf. Abs., URSI Spr. Mtg, pág. 71, Washington DC, abril de 1969.
- ^ JH Harris, R. Shubert y JN Polky, "Beam Coupling to Films", J.Opt.Soc.Am., v.60, págs. 1007-1016, agosto de 1970
- ^ JH Harris y R. Shubert, "Excitación de túnel variable de ondas de superficie óptica", IEEE Trans. MTT, págs. 74–91, marzo de 1971
- ^ PKTien, R.Ulrich y RLMartin, "Modos de propagación de ondas de luz en películas semiconductoras depositadas delgadas", Appl. Phys. Cartas, 14, p. 291 de mayo de 1969
- ^ PK Tien y R. Ulrich, "Teoría del acoplador prisma-película y guías de luz de película delgada", J. Opt. Soc. Soy. V.60, págs. 1325–1337, octubre de 1970
- ^ R. Ulrich, "Teoría del acoplador prisma-película por análisis de onda plana", J. Opt. Soc. Soy. V.60, págs. 1337–1350, octubre de 1970
- ^ R. Shubert y JH Harris, "Ondas de superficie óptica en películas delgadas y su aplicación a procesadores de datos integrados", IEEE Trans. MTT, págs. 1048-1054, v. MTT-16, diciembre de 1968
- ^ SE Miller, "Óptica integrada: una introducción", Bell Syst. Tech. J., V.48, págs. 2059–2069, septiembre de 1969
- ^ R. Hunsperger. Óptica integrada . Saltador. 1995.