4、棱镜耦合法：棱镜耦合原理（衰减全反射）、棱镜材料选择、棱镜耦合的优缺点
棱镜耦合法，这名字听起来挺唬人，对吧？其实说白了，它就是我们做光波导测试时最常用、最顺手的一种入光方式。我个人习惯叫它“老祖宗传下来的手艺”，因为这东西从60年代就开始用了，到现在依然是实验室里的主力军。
你想想看，光要从空气进到波导里，最大的障碍是什么？是折射率不匹配。空气折射率是1，波导材料通常是1.5到2.0以上，光在界面上一大半都被反射回去了。那怎么办？棱镜耦合法就是来解决这个问题的。
4.1 棱镜耦合原理——衰减全反射
先讲原理。核心就四个字：衰减全反射。
什么叫衰减全反射？正常全反射，光在界面上一弹，能量全部反射回去，一点不漏。但衰减全反射不一样——它允许一部分能量“漏”出去。
具体怎么操作呢？我们把一个高折射率的棱镜压在波导表面上。棱镜的折射率要高于波导，比如棱镜用n=1.8的材料，波导是n=1.5的二氧化硅。光从棱镜里打过来，在棱镜-空气界面发生全反射。但注意，全反射的时候，光场并不是在界面处突然消失的，它会有一小部分“渗”到空气里，形成一个倏逝波。
这个倏逝波，就是关键。
当棱镜和波导靠得足够近（通常是几十到几百纳米），倏逝波就能“够到”波导层。如果入射角调得合适，让倏逝波的波矢和波导模式的传播常数匹配上，能量就会从棱镜“漏”进波导里。这就是耦合。
核心条件：相位匹配
棱镜中光的水平波矢 = 波导模式的传播常数
数学表达：np · k0 · sinθ = β
其中np是棱镜折射率，θ是入射角，β是波导模式传播常数。
我在项目中遇到过一个问题：有次调棱镜耦合，怎么都看不到耦合峰。折腾了半天，发现是棱镜和波导之间有个小灰尘，间距太大了，倏逝波根本够不着。嗯，这里要注意，棱镜和波导的间距必须控制在λ/4以内，否则耦合效率会急剧下降。
4.2 棱镜材料选择
棱镜材料怎么选？我建议你记住三个字：高、透、硬。
- 高——折射率要高。一般要求np > nf，否则光根本进不去。常用的有SF10（n≈1.72）、SF11（n≈1.78）、甚至用钛酸锶（n≈2.4）做高折射率波导的耦合。
- 透——在目标波段要透明。比如做可见光波段，用BK7或SF系列玻璃就行。做红外波段，得用硒化锌或锗。
- 硬——机械强度要好。棱镜要压在波导上，太软的材料一压就花了。
| 材料 | 折射率 (@633nm) | 透光范围 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| BK7 | 1.52 | 350nm - 2.5μm | 低折射率波导 |
| SF10 | 1.72 | 400nm - 2.5μm | 常用中等折射率 |
| SF11 | 1.78 | 400nm - 2.5μm | 高折射率波导 |
| 钛酸锶 | 2.41 | 400nm - 5μm | 钛扩散铌酸锂波导 |
| 硒化锌 | 2.40 | 0.6μm - 15μm | 红外波段 |
我的小经验：如果你只是做常规的二氧化硅或聚合物波导测试，SF10棱镜就够用了。别一上来就上钛酸锶，那玩意儿贵，而且容易划伤。我曾经为了省事用钛酸锶压聚合物波导，结果棱镜表面粘了一层聚合物，擦都擦不掉，心疼了好几天。
4.3 棱镜耦合的优缺点
先说说优点，毕竟这东西能火这么多年，肯定有它的道理。
优点：
- 耦合效率高——理论上可以做到80%以上，实际调好了也能到50%-70%。比端面耦合强多了。
- 不需要端面抛光——波导的端面可以粗糙，甚至不用切，直接压在波导表面就行。这对薄膜波导特别友好。
- 可以同时测多个模式——改变入射角，就能激发出不同的波导模式。TE0、TE1、TM0……一次扫描全出来。
- 非破坏性——只要操作得当，不会损伤波导。
缺点：
- 对间距极其敏感——棱镜和波导之间的间隙必须控制在纳米级。我曾经有一次，手一抖，棱镜压太紧，直接把波导膜层压裂了。嗯，手稳很重要。
- 需要折射率匹配——棱镜折射率必须高于波导。如果你做的是高折射率波导（比如硅波导n≈3.5），那棱镜材料就不好找了。
- 不便于集成——棱镜是个大家伙，没法集成到芯片上。所以它只适合实验室测试，不适合产品化。
- 对表面清洁度要求高——哪怕一个指纹印，耦合效率就能掉一半。
避坑指南：我曾经在测试一个聚合物波导时，怎么调都只有微弱的光进去。折腾了两小时，最后发现棱镜表面有一层极薄的油膜。用丙酮擦干净后，耦合效率从5%直接跳到45%。所以，每次测试前，务必用无尘布蘸丙酮或异丙醇清洁棱镜表面和波导表面。别偷懒，这步省不了。
总结一下，棱镜耦合法是光波导测试的“基本功”。它原理简单、操作直观，但细节决定成败。你只要记住相位匹配条件，选对棱镜材料，控制好间距和清洁度，就能稳定地耦合出漂亮的模式。
我个人觉得，每个做光波导的人都应该亲手调一次棱镜耦合。那种看到耦合峰从噪声里冒出来的感觉，嗯，挺有成就感的。
公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321