微光學(xué)元件及光纖耦合半導(dǎo)體激光器

2019-11-04 22:48:11

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供稿：網(wǎng)友

　　1、微光學(xué)元件簡介
　　微光學(xué)（Micro-Optics）是未來微光電機(jī)系統(tǒng)（Micro-Optical-Electrical-Mechanical System，MOEMS，也稱微機(jī)械系統(tǒng)，Micro-Electrical-Mechanical System）中三大（另兩大組成部分是微電子和微機(jī)械）重要組成部分之一，有時也稱光學(xué)微機(jī)械（Optical MEMS）。微光學(xué)元件具有體積小、重量輕、設(shè)計靈活可實現(xiàn)陣列化和易大批量復(fù)制等優(yōu)點已成功地應(yīng)用到現(xiàn)代光學(xué)的各個領(lǐng)域中，如校正光學(xué)系統(tǒng)的像差、改善光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、減輕系統(tǒng)的重量。更為廣泛的應(yīng)用是激光光學(xué)領(lǐng)域，用于改變激光光束波面，實現(xiàn)光束變換，如光束的準(zhǔn)直、整形及光學(xué)交換和光學(xué)互聯(lián)等。微光學(xué)元件按照光傳播的途徑可簡單地分為兩大類：衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Elements， DOEs）和折射性光學(xué)元件（Refractive Optical Element，ROEs）。衍射型微光學(xué)元件中比較常用的一種是二元光學(xué)元件（Binary Optical Element，BOEs），以多臺階面形來逼近連續(xù)光學(xué)表面面形，是微光學(xué)元件中比較重要的一類。相應(yīng)的微光學(xué)元件的設(shè)計方法有衍射方法和折射傳播的幾何光學(xué)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(yè)化軟件如CODE V， ZEMAX， OSLO 等都具備微光學(xué)元件和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計功能。
　　
　　2、微光學(xué)元件的制作方法
　　微光學(xué)元件的制作方法歸納起來有兩種：機(jī)械加工方法和光學(xué)加工方法。機(jī)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(xué)加工方法就是光刻（Photolithography）。機(jī)械加工方法的優(yōu)點是工藝過程簡單，缺點是難于實現(xiàn)陣列型器件和大規(guī)模廉價復(fù)制，而且不易制作非旋轉(zhuǎn)對稱微光學(xué)元件，如柱面透鏡、任意不規(guī)則面型微光學(xué)。光學(xué)加工方法的優(yōu)點是：能實現(xiàn)任意不規(guī)則面型透鏡（尤其是二元微光學(xué)元件更是如此），可以大規(guī)模復(fù)制、缺點是工藝復(fù)雜、對環(huán)境要求較高。光學(xué)光刻可實現(xiàn)二元衍射微光學(xué)元件和連續(xù)面形微光學(xué)元件，主要有二元光學(xué)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(xué)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(xiàn)95%衍射效率的微光學(xué)元件。圖2 是采用掩模移動法制作連續(xù)面形微光學(xué)陣列元件，首先根據(jù)要求的面形設(shè)計掩模，然后在曝光過程中通過移動掩模，實現(xiàn)各部分的不同曝光量，最后通過顯影、反應(yīng)離子刻蝕，將光刻膠的面形傳遞到光學(xué)表面材料上。灰階掩模法是根據(jù)微光學(xué)元件所需面型，對掩模進(jìn)行灰階編碼，形成相應(yīng)的光強(qiáng)透過率分布函數(shù)，通過一次曝光、顯影，即可得到相應(yīng)的光刻膠面形，最后通過刻蝕，得到光學(xué)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，熱熔法由于面形不輕易控制和難于制作不規(guī)則面形而應(yīng)用領(lǐng)域受到限制，二元衍射方法雖然能實現(xiàn)各種復(fù)雜面形而得到廣泛應(yīng)用，但受到光刻線寬分辨率的限制而不能制作較大數(shù)值的微光學(xué)元件；掩模移動法能制作較大數(shù)值孔徑元件但難于制作不具有中心對稱或旋轉(zhuǎn)對稱元件。灰階掩模法具有設(shè)計靈活、能制作任意面形的微光學(xué)元件，但是掩模制作過程中數(shù)據(jù)量較大，難于精確地控制面形。總的說來，二元衍射方法適合于小數(shù)值孔徑微光學(xué)元件而連續(xù)面形方法適合于制作大數(shù)值、小口徑微光學(xué)元件。
　　　微光學(xué)元件及光纖耦合半導(dǎo)體激光器（圖一）

　　3、光纖耦合半導(dǎo)體激光器
　　3.1 半導(dǎo)體激光器特性及光纖耦合方法
　　
　　半導(dǎo)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(fā)光效率高和易調(diào)制、輕易集成等優(yōu)點被認(rèn)為是最有前景的激光器。大功率半導(dǎo)體激光器要求激光器非單發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)而是由這些單發(fā)光區(qū)按照某一規(guī)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(dǎo)體激光器的發(fā)光截面示意圖。半導(dǎo)體激光器的非凡結(jié)構(gòu)使得它的發(fā)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(dǎo)體激光器應(yīng)用。除了極少數(shù)的應(yīng)用，如DPL 的側(cè)面外，大多數(shù)應(yīng)用，如半導(dǎo)體激光器泵浦的全固態(tài)激光器（DPSSL）的端面、光纖激光器以及要求較高的側(cè)面泵浦激光器都要求對LDA 光束進(jìn)行整形，形成小芯徑、小數(shù)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(fā)光區(qū)一一對應(yīng)，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(jìn)行進(jìn)一步的整形來提高光亮度，因此該方法已趨于淘汰。考慮到微光學(xué)元件和大功率半導(dǎo)體激光器陣列都具有微型化、陣列化的特點，采用微光學(xué)元件對半導(dǎo)體激光器光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形和耦合被認(rèn)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(zhǔn)直成準(zhǔn)直光束，然后進(jìn)一步將光束進(jìn)行整形，最后將整形光束聚焦耦合到光纖，如圖6 所示。
　　　微光學(xué)元件及光纖耦合半導(dǎo)體激光器（圖二）

　　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(shù)除了功率外就是光纖芯徑和數(shù)值孔徑。對于一定芯徑和數(shù)值孔徑的光纖耦合光束而言，其整個耦合過程滿足光參數(shù)積不變的原理[3]。光參數(shù)積定義為光斑直徑與該方向的發(fā)散角的乘積。對于直徑為d 圓形對稱的光束，其遠(yuǎn)場發(fā)散角為θ，該光束的光參數(shù)積為
　　　微光學(xué)元件及光纖耦合半導(dǎo)體激光器（圖三）

　　BPP LDA、BPP fiber分別為耦合光束和光纖的光參數(shù)積。對于圖5 所示的吧條大功率半導(dǎo)體激光器陣列，快、慢軸方向的光參數(shù)積分別為0.70mm*mrad 和1745mm*mrad，但假如發(fā)散角按1/e2定義，激光器的發(fā)散角更大。實際上，陣列型半導(dǎo)體激光器的各個發(fā)光區(qū)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(yīng)準(zhǔn)直可以提高占空比，減小慢軸方向的光參數(shù)積 [2]，這樣光參數(shù)積變成１９×０.15 ×10 ×17.45=497mm*mrad，圖7 為準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器陣列的微柱面透鏡的面形輪廓。
　　　微光學(xué)元件及光纖耦合半導(dǎo)體激光器（圖四）

　　3.3、準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直及整形
　　
　　對于芯徑為800μm 、數(shù)值孔徑為0.22 的光纖其光參數(shù)積為352mm*mrad，快軸方向的光參數(shù)積已經(jīng)足可以滿足耦合要求，慢軸方向的光參數(shù)積太大，僅靠傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)是無法改變光束的光參數(shù)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(xiàn)兩方向光參數(shù)積的平衡。假定慢軸方向的光參數(shù)積為BPPslow，快軸方向的光參數(shù)積為BPP fast，那么整形時光束整形次數(shù)N可通過（3）式計算得到
　　　微光學(xué)元件及光纖耦合半導(dǎo)體激光器（圖五）

　　實際上，由于折疊次數(shù)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(shù)積均小于耦合光纖的光參數(shù)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(zhǔn)直后慢軸方向的光束仍有一定的發(fā)散角，在幾個折射表面必然產(chǎn)生較大反射損耗和偏離光路，從而降低整個系統(tǒng)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(tǒng)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(zhǔn)直后，其快慢軸方向的光參數(shù)積分別為0.70 mm*mrad和497 mm*mrad。若需要耦合進(jìn)入800um、0.22ＮＡ、對應(yīng)光參數(shù)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(xué)設(shè)計軟件，對光源發(fā)光模型、光束準(zhǔn)直、整形及聚焦進(jìn)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(xué)表面位置處的光強(qiáng)分布，a 為條陣激光器發(fā)光面處的光強(qiáng)分布，從圖中可以看出19 個發(fā)光區(qū)，每一個發(fā)光區(qū)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(zhǔn)直后的光強(qiáng)分布，功率為37.9，c 為整形后的光強(qiáng)分布，激光器功率為31W，d 為經(jīng)過聚焦后在光纖端面處的光強(qiáng)分布，從模擬結(jié)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。
　　　微光學(xué)元件及光纖耦合半導(dǎo)體激光器（圖六）

　　3.5、實驗結(jié)果及分析
　　
　　采用微透鏡陣列對４０Ｗ條陣半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光纖耦合，該激光器由19 個發(fā)光區(qū)構(gòu)成，每一個發(fā)光區(qū)長度為150µm，發(fā)光區(qū)間距為500µm，因此條陣發(fā)光區(qū)長度為10mm，在快、慢軸方向的發(fā)散角分別為8°和36°（FWHM）。通過快慢軸微透鏡陣列準(zhǔn)直后，其快慢軸方向的準(zhǔn)直光束的發(fā)散角為2.3mrad 和42.5mrad，光斑約為10mm×0.6mm，經(jīng)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(jìn)入光纖，耦合進(jìn)入芯徑為800um，數(shù)值孔徑為0.22NA 的多模光纖，其耦合效率達(dá)到了63.8%。圖9 為條陣半導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)直包絡(luò)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。
　　微光學(xué)元件及光纖耦合半導(dǎo)體激光器（圖七）