微光学器件总结

大作业丁武文2008010646精85折射微光学元件：1.折射微透镜：椭圆微透镜的制备及在半导体激光器（LD）光束整形中的应用[1]基础：LD发射光束具有以下两个特点：（2）x与y方向上的光束发散角不同；（2）光斑是椭圆形的。传统的耦合技术是将LD基片与光纤端面直接相连,称为平接连接法。由于LD和光纤之间数值孔径的巨大差异，平接连接的耦合效率只能达到10%。目前已有几种提高LD和光纤之间耦合效率的方法，这些方法可分为两类。第一类是将光纤一端做成半球形或圆锥形，相当于一个透镜。LD和透镜话光纤的耦合效率是2.5dB~6.4dB。另一类是利用梯度折射率光纤，光纤中不同部位的折射率不同，使得光纤像一个自聚焦透镜。使用这种方法的耦合效率大约是0.84dB～3dB，工作距离低于4500μm。这里提到的方法是用椭圆微透镜耦合的方案。利用椭圆微透镜具有双焦距的特性，同时对LD光束进行准直、整形，使发散光束成为适合光纤传输的圆光束，提高了耦合效率。微透镜的设计及制备：按需滴定法成形是使用脉冲式点胶机将PMMA溶液按照所需体积滴在玻璃基板上，溶液是光学级纯度的PMMA溶于MMA单体所得的混合预聚溶液，实验装置如图1所示。在实验前对作为基板的石英玻璃板进行预处理:先将石英基板放在超声波清洗器中用蒸馏水清洗10min，晾干后再用分析纯的无水乙醇在超声波清洗器中清洗10min。将清洗干净的石英基板放在含氮气氛的真空干燥箱中烘干使基板对水的接触角为10°，对PMMA溶液基本不浸润。然后在基板上用MMA溶液按所设计的透镜大小做一些椭圆形的区域，该区域对PMMA溶液完全浸润(如图2所示)。我们将溶液滴在这些椭圆形区域上，液滴在表面张力的作用下形成椭圆形的微透镜。在滴定完成后，样品应立即放入一个小密闭容器中以减小MMA单体的挥发和透镜的收缩率。然后放入烘箱，升温至100℃，这时PMMA和MMA单体快速聚合，等聚合完全后将炉温升到180℃，透镜处于熔融状态，但又具有很高的粘度，能够保持住形状，在表面张力的作用下微透镜表面还可进行自修复形成椭圆形微透镜。所得椭圆透镜的相关参数之间的关系公式为22#i48f1FiiiiiiDhRhRnfD……（1）…………（2）……………（3）其中fi为椭圆透镜焦距，包括X方向fx和Y方向fy;Ri为椭圆透镜曲率半径，包括X方向Rx和Y方向Ry;；Di为椭圆透镜直径，包括X方向Dx和Y方向Dy；F#i为椭圆透镜数值孔径，包括X方向F#x和Y方向F#y;；h为椭圆透镜矢高；n为材料折射率。对于按需滴定法，当针头型号、气泵压力、脉冲时间决定之后，每次滴下的液滴的量也就固定。另外，在其他条件不改变的情况下，聚合物溶液与基板的接触角由溶液的粘度决定，而溶液的粘度又由浓度来改变。由此可知，浓度固定时，接触角就固定。所以由简单的几何关系就可知，对于成份相同的溶液，粘度和针头的型号就决定了单个液滴的形状(包括直径、矢高和曲率半径)。实验中，通过摸索调整溶液粘度和压力大小及脉冲时间，就可以得到所需椭圆微透镜的两个焦距。实验中选用28号针头，其内径为0.15mm，外径为0.35mm;溶液浓度为4mol/L。使用微透镜阵列的耦合：我们分别测量了传统的平接连接法和本文所介绍的微透镜耦合法的耦合效率和对不同轴的容忍性。由于LD的发散角和光纤的数值孔径都会影响到耦合效率和对不同轴的容忍性，所以我们在实验中使用了同样的LD和光纤来比较两者的耦合。测得1.55μm的LD发出的光束在接触面处的垂直和水平发散角分别是39.3°和20.2°，光纤芯径为8.6μm，折射率差为0.42%，数值孔径为0.096。平接连接法中,光束从LD直接进入光纤中。微透镜耦合法中,在两者之间增加了一个椭圆微透镜,LD、微透镜和光纤被固定在高精度多轴定位平台上,其在X、Y、Z方向移动精度上0.1μm,θX、θY方向上转动精度是3″。激光光束经过一段一米长的SMF传至能量计上来测量其光能分布。利用红外感应卡(当被红外线照射时可以放射出可见光)来帮助调整定位。首先,调整LD和光纤。对于平接连接法,LD发光面与光纤端面直接相连,对于微透镜耦合法,LD与微透镜阵列背面(即石英基板一侧)相连。LD的驱动电流从9.0mA调至18.0mA,测出激光输出能量。微透镜耦合方案的耦合效率是链接法的8倍。另外,对不同轴的容忍性也是影响耦合效率的重要因素。不同轴包括水平错位、轴向错位和角度倾斜。与平接连接法相比,微透镜耦合法对水平错位和轴向错位有很好的容忍性,但对角度倾斜要求很高。优缺点：LD与光纤之间使用微透镜耦合的方案与传统的平接连接法相比,耦合效率大大提高,并且对水平和轴向的对接精度要求显著降低，但是对角度倾斜要求很高。微反射镜：静电微反射镜的应用研究主要集中在光开关、投影仪和被动式空间光通信器件三个领域中。光开关和应用于投影仪的微反射镜研究起步较早,空间光通信器件的研究是最近几年才发展起来的。微反射棱镜[2]:微反射镜的另一重要应用领域是空间光通信,这方面角锥棱镜(Cube-cornerRetroreflector)的结构方式应用最为普遍。东京科技大学对其在无线通信系统中的应用进行了系统分析。角锥棱镜的入射光束分布于三个镜面上,仅仅在有效光阑半径内的入射光才能经过三镜面的依次反射产生与入射光平行的出射光,且出射光与入射光光强呈中心对称。角锥棱镜具有三个相互正交的工作平面,相比平面镜来说体积较大、结构复杂,同时还对工艺精度尤其是镜面的相互垂直度要求高。由于其入、出射光平行,能从原理上自动跟踪光源,可望用于近距离网络通信、星际通信等领域,尤其适用于随动通信系统间的通信。DARPA计划所提出的智能尘埃中的被动光通信装置就采用了角锥棱镜系统。它被作为空间光通信的重要器件从本世纪初起进行了重点研究,其重点是具有高垂直精度的微角锥棱镜结构及工艺。具有良好工艺性和精度可靠性的典型结构如图5所示,它们分别包含两个侧反射面和一个底反射面。底反射面由可动微反射镜组成,它通过微反射镜的角度变化改变三个面的正交性,进而改变反射光的平行性。侧面分别由铰支结构、插装结构装配而成,前者结构较为复杂、工艺复杂;后者相反,工艺复杂结构简单。两种结构的共同缺陷是距离应用有一定差距。应用于被动空间光通信领域的微角锥棱镜是静电微反射镜方向具有挑战性的课题之一，研究的成功将为通信带来又一次革命。它的研究始于DARPA计划和加利福尼亚大学伯克利分校传感器与执行器研究中心(BerkeleySensor&ActuatorCenter)的Pister和Kahn教授智能尘埃计划的提出。不足：深入研究微反射镜的特性。现有微反射镜的设计主要倾向于机电特性而欠缺对光学性能的深入分析。为此,需进一步研究不同光学面形状、尺寸参数和阵列参数对光学性能的影响,克服衍射效应等带来的不利影响。折射率渐变微透镜：Spot-sizeconverter（波导模态变换器）是光纤与光波导连接之间的一种常用的过渡结构，它可有效地提高不同类型的波导结构之间的耦合效率。目前，已有多种Spot-sizeconverter的报告，例如由高相对折射率差Δ的半导体材料制备的光波导采用了波导宽度和高度渐变型过渡区。渐变折射率Spot-sizeconverter[3]的设计：取单模石英光纤的Δ为0.3%，芯直径为8μm，芯层折射率为1.4681（波长在1550nm处）；Δ为0.6%的单模矩形光波导宽度为6μm，高度为6μm，芯层折射率为1.5343（波长在1550nm处）。采用光束传播法仿真软件（BeamPROP软件）计算的结果表明，若光波导不设置Spot-sizeconverter结构，光纤与波导的端面耦合效率为78%。为了提高光纤与光波导器件的连接耦合效率，减少插入损耗，本文计算设计了两种平面Taper结构的Spot-sizeconverter。第一种波导Spot-sizeconverter结构为图1所示的，波导侧边为线性渐变型Taper的结构，Taper的厚度与直波导的相同，为了6μm。其他结构参数为W1=8μm，W2=6μm、L为折射率线性渐变区长度。Taper波导区的Δ，由起始处的0.3%线性增加到0.6%。如图2所示。扫描改变L的大小，由BPM（beampropagationmethod）仿真计算Spot-sizeconverter与单模石英光纤的端面耦合效率，结果示于图3中的曲线1.当Ｌ＝３００μｍ时，耦合效率达到９０％；当Ｌ再增大时，耦合效率基本不变。设计的第二种结构如图４所示，波导厚度为６μｍ，Ｔａｐｅｒ区的波导具有对称的抛物线渐变形侧边，Ｔａｐｅｒ区波导宽度Ｗ是Ｚ的函数，满足式22112W-WW=Z+WZ0LL，，……（2）其中，Ｗ１＝８μｍ，Ｗ２＝６μｍ，Ｔａｐｅｒ区波导相对折射率差Δ具有线性渐变分布，满足式Z=0.3%+0.3Z0LL，，……（3）扫描Ｌ的大小，由ＢＰＭ仿真计算端面耦合效率，结果如图３中的曲线２所示。当Ｌ＝２８０μｍ时，耦合效率提高到９１.３％左右，L再增大，耦合效率基本保持不变。从图3结果看出，采用折射率渐变区可使波导与光纤的端面祸合效率得到改善,渐变区长度L存在一个饱和距离,既当渐变区长度大于这一距离时,祸合效率基本不变。采用饱和距离作为过渡区长度时,藕合效率最大且Spot-sizeconverter的尺寸较短,有利于器件的集成型化。两种结构的比较表明,侧边抛物线渐变结构的效果要比侧边线性渐变结构的好。优点：高分子光波导由于具有良好的光学性能、易加工、价格低廉等优点，近年来成为研究热点。衍射微光学元件：二元光学：二元光学元件(BinaryOpticalElements,简写BOE)是一种位相型的衍射光学元件。它以光的衍射效应为基本工作原理,采用对光学波面的分析来设计衍射位相轮廓。目前制作二元光学元件的方法主要有微电子工艺中的刻蚀法、镀膜法,高精度钻石车床程序控制切削法等。其中微电子工艺技术中的刻蚀法是目前采用的主要手段。由于实际制作出的位相轮廓,是以2为量化倍数,与理想的连续位相轮廓的台阶形状近似,故被称为“二元光学元件”。二元光学元件的设计与制作:二元光学器件的设计与制作过程是,首先根据使用要求(包括孔径、分辨率、焦距、波面特性等),经计算机的优化设计,确定表面的位相分布,按刻蚀次数设计成N个振幅型掩膜,经光刻显影,离子蚀刻去胶后得到位相型二元光学元件,其典型工艺过程见图1。图1示出用蚀刻法进行形状制作的工序。在基板上涂敷光致抗蚀剂进行光掩模曝光和显影,复制图形。然后利用反应性离子蚀刻,除掉基板直至光程长深度为λ0/2,最后除掉残留的光致蚀剂。据此,能够制成2级形状。但是,每道工序除掉基板的一半深度。与用反应性离子蚀刻法除掉基板的方法相反,也有沉积几分之一波长厚的薄膜的制造方法,图2示出这种薄膜沉积法。二元光学一词是美国林肯研究所的Veld2kamp等人提出的,在最初的研究中只使用一次蚀刻法的工序,就形成二级(二元)形状,这就是二元形状的由来。这样,在二元光学无元件的制作中,由于采用蚀刻法,所以适合于大批量生产。过去的折射型透镜的制作大多是靠工作人员的经验,而现在则用已确立的蚀刻工序实施的。另外,过去是组合许多透镜来构成非球面,以修正像差。而二元光学元件由于形状可以自由设计,所以用一个元件就能实现像差修正,这是其优点。应用：矫正视力缺陷,制成双焦隐形眼镜[4]二元光学双焦透镜，用于眼科病人矫正视力非常有效。医生将病人的被白内障致混浊的眼球水晶体用冷冻法去除后，配上二元光学透镜，使入射光聚焦在两点上,一个将图像直接聚焦在视网膜上；另一个在其稍后。由大脑选择它认为是最清晰的一个，而放弃另外一个。菲涅尔透镜：菲涅尔透镜提高太阳能利用率的研究[5]太阳能能源清洁无污染，但是太阳能光伏发电的成本高达普通煤电成本的6至8倍，如此高的成本很难使其得到普遍推广。因此,提高太阳能的利用效率、降低成本是目前太阳能光伏发电的主要研究方向。其中，降低太阳能电池发电成本的有效途径之一是用聚光太阳能电池来减少给定功率所需的电池面积，并用比较