微光学元件及光纤耦合半导体激光器

摘要：本文首先简要介绍了折射型、衍射型微光学元件及其制作方法。针对半导体激光器和微光学阵列元件的特点，分析了采用微透镜阵列实现半导体激光器阵列光束准直、整形以及光纤耦合的方法，并给出一个实例。
关键词：微光学元件、半导体激光器阵列、光束准直、光束整形、光纤耦合
1、微光学元件简介
微光学（Micro-Optics）是未来微光电机系统（Micro-Optical-Electrical-Mechanical System，MOEMS，也称微机械系统，Micro-Electrical-Mechanical System）中三大（另两大组成部分是微电子和微机械）重要组成部分之一，有时也称光学微机械（Optical MEMS）。微光学元件具有体积小、重量轻、设计灵活可实现阵列化和易大批量复制等优点已成功地应用到现代光学的各个领域中，如校正光学系统的像差、改善光学系统的成像质量、减轻系统的重量。更为广泛的应用是激光光学领域，用于改变激光光束波面，实现光束变换，如光束的准直、整形及光学交换和光学互联等。微光学元件按照光传播的途径可简单地分为两大类：衍射光学元件（Diffractive Optical Elements， DOEs）和折射性光学元件（Refractive Optical Element，ROEs）。衍射型微光学元件中比较常用的一种是二元光学元件（Binary Optical Element，BOEs），以多台阶面形来逼近连续光学表面面形，是微光学元件中比较重要的一类。相应的微光学元件的设计方法有衍射方法和折射传播的几何光学方法，如Fresnel 波带法、G-S 算法、遗传算法、光线追迹等。目前比较成熟的商业化软件如CODE V，ZEMAX， OSLO 等都具备微光学元件和系统的优化设计功能。
2、微光学元件的制作方法
微光学元件的制作方法归纳起来有两种：机械加工方法和光学加工方法。机械加工方法主要有[1]：光纤拉制（Drawing of Fiber Lenses）、超精度研磨（Ultraprecision Grinding）、注模（Moulding）、金刚石车削（Diamond Turning）等。光学加工方法就是光刻（Photolithography）。机械加工方法的优点是工艺过程简单，缺点是难于实现阵列型器件和大规模廉价复制，而且不易制作非旋转对称微光学元件，如柱面透镜、任意不规则面型微光学。光学加工方法的优点是：能实现任意不规则面型透镜（尤其是二元微光学元件更是如此），可以大规模复制、缺点是工艺复杂、对环境要求较高。光学光刻可实现二元衍射微光学元件和连续面形微光学元件，主要有二元光学方法、掩模移动法、灰阶掩模法、热熔法和梯度折射率方法等。图1是采用光刻方法加工8台阶二元衍射微光学元件的加工工艺原理，采用三块不同频率的掩模，通过三次甩胶、曝光、显影、刻蚀等工艺实现95%衍射效率的微光学元件。图2是采用掩模移动法制作连续面形微光学阵列元件，首先根据要求的面形设计掩模，然后在曝光过程中通过移动掩模，实现各部分的不同曝光量，最后通过显影、反应离子刻蚀，将光刻胶的面形传递到光学表面材料上。灰阶掩模法是根据微光学元件所需面型，对掩模进行灰阶编码，形成相应的光强透过率分布函数，通过一次曝光、显影，即可得到相应的光刻胶面形，最后通过刻蚀，得到光学材料上的面形，如图3所示。热熔法是通过曝光后光刻胶的表面张力作用的收缩，形成面形，如图4所示。这几种方法中，热熔法由于面形不容易控制和难于制作不规则面形而应用领域受到限制，二元衍射方法虽然能实现各种复杂面形而得到广泛应用，但受到光刻线宽分辨率的限制而不能制作较大数值的微光学元件；掩模移动法能制作较大数值孔径元件但难于制作不具有中心对称或旋转对称元件。灰阶掩模法具有设计灵活、能制作任意面形的微光学元件，但是掩模制作过程中数据量较大，难于精确地控制面形。总的说来，二元衍射方法适合于小数值孔径微光学元件而连续面形方法适合于制作大数值、小 口径微光学元件。 
 3.1 半导体激光器特性及光纤耦合方法