微光学元件及光纤耦合半导体激光器

微光学元件及光纤耦合半导体激光器

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，MOEM S，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，BO Es），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 Grin ding）、注模（Moulding）、金刚石车削（Diamond Turning）等。光学加工方法就是光刻（Photolithogr aphy）。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。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。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。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。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。[1]

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光子晶体光纤激光器

在光子晶体光纤的情况下，有可能采用较大的单模芯径，因为光子晶体光纤的导光机构与标准光纤有着根本的差别。在光子晶体光纤中，芯是由微结构包层所包围的固体区域，它是由空管包围的一个或多个固体棒拉制光纤时形成的。多孔区域的折射率比它包围的实心区域的折射率低，从而使该结构形成单模波导。实验表明：芯经大到30μ m时，限制也非常好。这一技术已被推广，将掺镱的固体棒放在其它棒之间制作光纤激光器。德国Friedrich Schiller大学的Jens Limpert和他的同事,已经使他们的光子晶体光纤激光器输出80W，其模场直径大至21μm。2 含有大孔的“空气包层”包围着光子晶体外芯，该外芯由二极管泵浦(见图2，上)。还可能通过在芯的附近添加大孔，来制作偏振维持的微结构光纤(见图2，下)。

图2.用于光纤激光器的光子晶体光纤具有双芯结构。大芯光纤(左上)在外芯中收集泵浦光,在位于中心的内芯中掺有镱或铒。外芯中的孔使外芯折射率降低到实内芯折射率以下(上图)。将一对大孔加到该结构中(左下)，产生应力，使光纤具有维持偏振的功能。最近，悉尼大学的研究人员在制作微结构聚合物光纤型固体染料激光器时，添加了不同寻常的扭曲。4 Alexander Argyros和和他的同事在商用PMMA预制棒中，钻出了一个由孔组成的图样。在将它拉制中间状态时，将含有若丹明6G的溶液灌入孔中。该溶液能部分溶解PMMA的点阵结构，因此，在它被拉成最后的光纤之前,染料分子就渗透到里面去了。根据他们的设计，最后拉制成的光纤，具有由低密度多孔区包围的18μm纤芯，用此光纤制成的光纤激光器可在脉冲条件下运转。

稀土掺杂光纤激光器的结构示意图

稀土掺杂光纤激光器的结构示意图如图1所示。光纤本身有三层: 掺有稀土元素(通常是镱或铒)的内芯, 具有低折射率的外芯(或称内包层)和聚合体或玻璃外包层。内包层收集和引导泵浦光，外包层则能将泵浦光限制在内包层内。要保证光束质量拟采用单模内芯，外芯通常不是圆对称的。共振腔光学元件是直接制作在内芯内的布拉格光栅。

图1.用于光纤激光器的双芯光纤。外芯(或称内包层)收集泵浦光,它是为泵浦单模内芯中的稀土离子而设计的。内芯中的布拉格光栅构成激光腔。双芯光纤设计已经标准化了，因为大外芯能有效地收集泵浦光，而小内芯则能将激光功率集中在较小的体积里面，以输出高质量的光束。外芯的几何形状可以选择，以便对内芯进行有效泵浦。脉冲激光器和连续激光器均采用类似的结构。实际上，可将光纤绕成一圈或若干圈。设计的细节与应用和功率要求有关。

光纤通信激光管 VCSEL

一、0.85 μm VCSEL 最初在1990年～1995年期间制成的VCSEL是供短波长0.85 μm通信使用.主要是用于局域网(LAN)的多模光纤通信，可能有助于组成Gbit/s的Ethernet.每个激光管均由圆片制成，多个激光管具有不同的激光波长可以方便地排成阵列，供多路通信使用，优于早先使用的发光管LED. 0.85 μm VCSEL是由两层分布布拉格反射体(DBR，Distrbuted Bragg Reflector)和中间空腔层构成.空腔层中心是包含多个量子阱的有源区，注入电流就是经过导流结构进至有源区，整个空腔可以在GaAs衬底上一次处延生长.因此这种激光管可以用圆片制造和测试，而这种制造技术是与发光管LED相似的. 制造0.85 μm VCSEL的关键技术是简单外延和顶面发射，就是说，整个激光管结构的生长只是一步处延，这就可能增加器件的均匀性，并缩短圆片器件的处理和试验时间.而且，从圆片表面外延边的顶部发射可以容许在器件包装前测试圆片.这些是当初0.85 μm VCSEL制造的特点和优点，对于后来制造长波长1.3和1.55 μm VCSEL起到了很好的参考作用.二、1.3 μm VCSEL 为了制成长波长1.3～1.55 μm的VCSEL，就应先考虑合适的材料，具体地说，1.3 μm的VCSEL应选用半导体Ga1-xInxNyAs1-y作为有源区，以与Ga As衬底相匹配.其中In的x和N的y成份还可以适当调整。如加大In和N的成份，就使直接带隙减小，一般地说，典型的1.3 μm发射需要35%～38%的In和1.5%～2.0%的N.但这样的考虑曾经遇到限制，如利用MOCVD和MBE制成VCSEL，最多只能在1.2 μm获得良好性能.但后来经过精心研究，这种限制得到克服，成功地制成顶部发射的单模VCSEL，波长为1.293 μm，输出功率1.4 mW，能在25℃连续波运用.电注入是通过横向腔的触点，电流就局限于小孔径内.DBR是用GaAs/AlAs层.这样的实验曾证明激光管能够接受数字调制达到10 Gbit/s的速率.另外又有实验把波长再提高到1.55 μm，在较高门限密度进行脉冲运用. 上述GaInNAs的VCSEL材料包含N，因而当波长稍增加时将使功率性能显著降低.为了克服这种困难，最近考虑加入Sb，具有GaInNAsSb有源区的VCSEL，可在波长1.3 μm工作，CW输出功率在20℃为1 mW，甚至可在高温80℃情况下运用.这样的VCSEL结构利用p的DBR和氧化物孔径，对于长波长激光管很有用，甚至同样适合于1.55 μm的运用. 1.3 μm的VCSEL曾经考虑利用InGaAs的量子点(QD，Guantum dots)的有源区.这种利用量子点的办法可能改进光电子器件的性能，提高增益也便于调整激光波长.最近制成的1.3 μm QD-VCSEL能够发射1.25 mW的功率，并在室温条件供CW运用，它的DBR是利用GaAs/AlOx，电流注入和局限于AlOx孔径. 1.3 μm VCSEL的有源区也曾经考虑利用GaA sSb量子阱在GaAs衬底上生长，但因失配较大，很少的量子阱能被利用.最近有报道称1.23 μm VCSEL 利用两个GaAs0.665Sb0.335的量子阱作为有源区，又用GaAs/AlGaAs作为DBR，与AlOx作为电流局限孔径.这样能够得到0.7 mA的门限电流，但输出功率很小，仅0.1 mW.三、1.55 μm VCSEL 对于波