微光學元件及光纖耦合半導體激光器

領測軟件測試網

　　 
　　1、微光學元件簡介
　　微光學（Micro-Optics）是未來微光電機系統（Micro-Optical-Electrical-Mechanical System，MOEMS，也稱微機械系統，Micro-Electrical-Mechanical System）中三大（另兩大組成部分是微電子和微機械）重要組成部分之一，

有時也稱光學微機械（Optical MEMS）。微光學元件具有體積小、重量輕、設計靈活可實現陣列化和易大批量復制等優點已成功地應用到現代光學的各個領域中，如校正光學系統的像差、改善光學系統的成像質量、減輕系統的重量。更為廣泛的應用是激光光學領域，用于改變激光光束波面，實現光束變換，如光束的準直、整形及光學交換和光學互聯等。微光學元件按照光傳播的途徑可簡單地分為兩大類：衍射光學元件（Diffractive Optical Elements， DOEs）和折射性光學元件（Refractive Optical Element，ROEs）。衍射型微光學元件中比較常用的一種是二元光學元件（Binary Optical Element，BOEs），以多臺階面形來逼近連續光學表面面形，是微光學元件中比較重要的一類。相應的微光學元件的設計方法有衍射方法和折射傳播的幾何光學方法，如Fresnel 波帶法、G-S 算法、遺傳算法、光線追跡等。目前比較成熟的商業化軟件如CODE V， ZEMAX， OSLO 等都具備微光學元件和系統的優化設計功能。
　　
　　2、微光學元件的制作方法
　　微光學元件的制作方法歸納起來有兩種：機械加工方法和光學加工方法。機械加工方法主要有[1]：光纖拉制（Drawing of Fiber Lenses）、超精度研磨（Ultraprecision Grinding）、注模（Moulding）、金剛石車削（Diamond Turning）等。光學加工方法就是光刻（Photolithography）。機械加工方法的優點是工藝過程簡單，缺點是難于實現陣列型器件和大規模廉價復制，而且不易制作非旋轉對稱微光學元件，如柱面透鏡、任意不規則面型微光學。光學加工方法的優點是：能實現任意不規則面型透鏡（尤其是二元微光學元件更是如此），可以大規模復制、缺點是工藝復雜、對環境要求較高。光學光刻可實現二元衍射微光學元件和連續面形微光學元件，主要有二元光學方法、掩模移動法、灰階掩模法、熱熔法和梯度折射率方法等。圖1 是采用光刻方法加工8臺階二元衍射微光學元件的加工工藝原理，采用三塊不同頻率的掩模，通過三次甩膠、曝光、顯影、刻蝕等工藝實現95%衍射效率的微光學元件。圖2 是采用掩模移動法制作連續面形微光學陣列元件，首先根據要求的面形設計掩模，然后在曝光過程中通過移動掩模，實現各部分的不同曝光量，最后通過顯影、反應離子刻蝕，將光刻膠的面形傳遞到光學表面材料上�；译A掩模法是根據微光學元件所需面型，對掩模進行灰階編碼，形成相應的光強透過率分布函數，通過一次曝光、顯影，即可得到相應的光刻膠面形，最后通過刻蝕，得到光學材料上的面形，如圖3 所示。熱熔法是通過曝光后光刻膠的表面張力作用的收縮，形成面形，如圖4 所示。這幾種方法中，熱熔法由于面形不容易控制和難于制作不規則面形而應用領域受到限制，二元衍射方法雖然能實現各種復雜面形而得到廣泛應用，但受到光刻線寬分辨率的限制而不能制作較大數值的微光學元件；掩模移動法能制作較大數值孔徑元件但難于制作不具有中心對稱或旋轉對稱元件�；译A掩模法具有設計靈活、能制作任意面形的微光學元件，但是掩模制作過程中數據量較大，難于精確地控制面形�？偟恼f來，二元衍射方法適合于小數值孔徑微光學元件而連續面形方法適合于制作大數值、小口徑微光學元件。
　　　
　　3、光纖耦合半導體激光器
　　3.1 半導體激光器特性及光纖耦合方法
　　
　　半導體激光器(Laser Diode，LD)及其陣列（Laser Diode Array，LDA）由于具有體積小、重量輕、發光效率高和易調制、容易集成等優點被認為是最有前景的激光器。大功率半導體激光器要求激光器非單發光區結構而是由這些單發光區按照某一規則排列成線陣（BAR CHIPS）或面陣（STACKED ARRAY），圖5 為典型的大功率條陣半導體激光器的發光截面示意圖。半導體激光器的特殊結構使得它的發散角較大，而且存在著像散，給使用帶來了很多不便，制約半導體激光器應用。除了極少數的應用，如DPL 的側面外，大多數應用，如半導體激光器泵浦的全固態激光器（DPSSL）的端面、光纖激光器以及要求較高的側面泵浦激光器都要求對LDA 光束進行整形，形成小芯徑、小數值孔徑、高亮度的光纖耦合激光輸出。較早的方法是將一根光纖和LDA 的每一個發光區一一對應，形成一捆光纖束。這種方法在大功率時須采用一大捆光纖束而光亮度并不大，也難于對該光束進行進一步的整形來提高光亮度，因此該方法已趨于淘汰�？紤]到微光學元件和大功率半導體激光器陣列都具有微型化、陣列化的特點，采用微光學元件對半導體激光器光束進行準直、整形和耦合被認為是最有前景的方法微透鏡陣列光束整形。首先采用微透鏡陣列將LDA 光束準直成準直光束，然后進一步將光束進行整形，最后將整形光束聚焦耦合到光纖，如圖6 所示。
　　　
　　3.2 光纖耦合LDA 模塊原理分析
　　
　　光纖耦合輸出激光光束的主要參數除了功率外就是光纖芯徑和數值孔徑。對于一定芯徑和數值孔徑的光纖耦合光束而言，其整個耦合過程滿足光參數積不變的原理[3]。光參數積定義為光斑直徑與該方向的發散角的乘積。對于直徑為d 圓形對稱的光束，其遠場發散角為θ，該光束的光參數積為
　　　
　　BPP LDA、BPP fiber分別為耦合光束和光纖的光參數積。對于圖5 所示的吧條大功率半導體激光器陣列，快、慢軸方向的光參數積分別為0.70mm*mrad 和1745mm*mrad，但如果發散角按1/e2定義，激光器的發散角更大。實際上，陣列型半導體激光器的各個發光區之間存在間隙，占空比為0.3 而非1，因此采用微透鏡陣列一一對應準直可以提高占空比，減小慢軸方向的光參數積 [2]，這樣光參數積變成１９×０.15 ×10 ×17.45=497mm*mrad，圖7 為準直半導體激光器陣列的微柱面透鏡的面形輪廓。
　　　
　　3.3、準直光束的準直及整形
　　
　　對于芯徑為800μm 、數值孔徑為0.22 的光纖其光參數積為352mm*mrad，快軸方向的光參數積已經足可以滿足耦合要求，慢軸方向的光參數積太大，僅靠傳統的光學系統是無法改變光束的光參數積，因此必須對光束整形。光束整形就是通過重新排列快、慢軸方向的光束，來減小一個方向的光斑尺寸，增大另一個方向的光斑尺寸，從而實現兩方向光參數積的平衡。假定慢軸方向的光參數積為BPPslow，快軸方向的光參數積為BPP fast，那么整形時光束整形次數N可通過（3）式計算得到
　　　
　　實際上，由于折疊次數的增多必然帶來分割間隙間的損耗，因此只需滿足快、慢軸方向的光參數積均小于耦合光纖的光參數積即可。目前有三種光束整形有三種方式：反射式、折射式和折反射式。折射式和折/反射式由于準直后慢軸方向的光束仍有一定的發散角，在幾個折射表面必然產生較大反射損耗和偏離光路，從而降低整個系統的耦合效率，反射式是一種較為理想的方法，因此選擇反射式有利于提高系統的耦合效率。
　　
　　對于占寬比為0.3 的條陣ＬＤＡ，采用微透鏡陣列準直后，其快慢軸方向的光參數積分別為0.70 mm*mrad和497 mm*mrad。若需要耦合進入800um、0.22ＮＡ、對應光參數積為352mm*mrad 的光纖， 那么慢軸光束只需整形折疊2 次即可。
　　
　　3.4、計算模擬
　　
　　采用ZEMAX EE 非序列光線追跡光學設計軟件，對光源發光模型、光束準直、整形及聚焦進行模擬，得到各個步驟的光場分布及效率。圖8 為幾個重要光學表面位置處的光強分布，a 為條陣激光器發光面處的光強分布，從圖中可以看出19 個發光區，每一個發光區的輸出功率為2W，因此總輸出光功率為38W，b 為快、慢軸方向都準直后的光強分布，功率為37.9，c 為整形后的光強分布，激光器功率為31W，d 為經過聚焦后在光纖端面處的光強分布，從模擬結果來看，光斑小于150um×720um，輸出功率為26W， 耦合效率為68.5%。若按總功率40W 計算，則光纖耦合輸出功率為27.4W。
　　　
　　3.5、實驗結果及分析
　　
　　采用微透鏡陣列對４０Ｗ條陣半導體激光器進行光纖耦合，該激光器由19 個發光區構成，每一個發光區長度為150µm，發光區間距為500µm，因此條陣發光區長度為10mm，在快、慢軸方向的發散角分別為8°和36°（FWHM）。通過快慢軸微透鏡陣列準直后，其快慢軸方向的準直光束的發散角為2.3mrad 和42.5mrad，光斑約為10mm×0.6mm，經過兩次折疊，變成1.2mm×5mm 光斑。采用焦距f=15mm，口徑D=6.35mm 的聚焦透鏡耦合進入光纖，耦合進入芯徑為800um，數值孔徑為0.22NA 的多模光纖，其耦合效率達到了63.8%。圖9 為條陣半導體激光器的P-I 曲線和光纖耦合輸出的P-I 曲線，圖10 為實際的光纖耦合半導體激光器。功率損耗主要在以下幾個方面：實測效率低首先是準直包絡能量快、慢軸方向僅有90%；其次各個透鏡反射能量的損耗約占5~8%；整形過程中對波面的分割和重新排列時的邊緣損耗約5~8%；最后是耦合光纖端面的反射和端面的泄露損耗了約10%能量。
　　

文章來源于領測軟件測試網 http://www.kjueaiud.com/