導語：如何才能寫好一篇球面透鏡的光學特性，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

0引言

將空間光場高效耦合進較小芯徑光纖特別是單模光纖的技術已廣泛用于光纖激光器［1－2］、空間激光通信［3－4］和天文觀測［5－6］等研究領域．當前本文研究組提出的全光纖轉(zhuǎn)動喇曼激光雷達研究課題將采用光纖布喇格光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）作為分光系統(tǒng)的核心器件，而由多模光纖制成的布喇格光柵由于其光譜特性的多峰性，不能滿足大氣分子純轉(zhuǎn)動喇曼信號精細光譜分離的要求，故系統(tǒng)中將采用單模光纖作為連接傳輸器件［7－8］．因此激光雷達的空間回波光場耦合進單模光纖的耦合效率將是該系統(tǒng)信噪比的關鍵因素，耦合效率越高信噪比將越好．當前將空間光場耦合進小芯徑光纖的耦合器主要有球透鏡［9－10］、格林透鏡和非球面透鏡［11］等，球透鏡一般耦合效率略低，而格林透鏡主要用于光場前向傳輸?shù)目臻g激光通信領域，在激光雷達領域的應用研究表明需要定制特種參量器件，成本較高［12］，此外目前現(xiàn)有產(chǎn)品主要用于近紅外的通信波段，而正在研究的全光纖激光雷達系統(tǒng)則工作在可見光波段．另外，Chiou，A．等人曾利用互泵浦相位共軛技術設計了光致折變空間模式轉(zhuǎn)換器提高多模光場耦合進單模光纖的效率，使耦合效率突破了纖芯直徑比或模式數(shù)量比的限制［13］，但是該方法需要選擇合適的晶體，且對空間結構穩(wěn)定性要求較高，不適用于正在研究的全光纖激光雷達系統(tǒng)．非球面透鏡以其靈活的光場分布調(diào)整能力已應用于激光光束整形［14］，另外非球面透鏡具有很強的集光能力，這或許可提高空間光場耦合進單模光纖的效率．本文以設計用于全光纖喇曼激光雷達的單模光纖耦合系統(tǒng)為研究目標，采用成本較低的非球面透鏡作為核心耦合器件，結合現(xiàn)有卡塞格林望遠鏡，通過ZEMAX光學軟件搭建望遠鏡與單模光纖的耦合系統(tǒng)；由于激光雷達系統(tǒng)是一種能量探測系統(tǒng)，不同于成像系統(tǒng)的高像質(zhì)要求，為充分利用非球面透鏡較強的集光能力，以將空間光場耦合進單模光纖的效率為優(yōu)化目標對系統(tǒng)結構參量進行優(yōu)化分析；直接與通常多模光纖（如芯徑0．1～0．4mm）進行耦合效率比較，會因絕對耦合效率值低而弱化對比效果，此處構建初步實驗系統(tǒng)進行耦合實驗，采用不同型號單模光纖（芯徑約為3～10μm）的耦合效果進行相對耦合效率對比分析，測試和分析非球面透鏡對耦合效率的改善作用，得到了構建全光纖喇曼激光雷達系統(tǒng)的有益結論．

1非球面透鏡的單模光纖耦合系統(tǒng)及優(yōu)化設計

喇曼激光雷達系統(tǒng)的發(fā)射激光束進入大氣，經(jīng)與大氣分子相互作用產(chǎn)生攜帶大氣狀態(tài)信息的后向喇曼散射信號，由于信號較弱通常需要對一定時間的回波信號進行統(tǒng)計平均，故一般可忽略大氣湍流對光場傳輸?shù)挠绊懀释ǔ＜僭O發(fā)射激光束是高斯分布，而把望遠鏡接收的大氣后向散射光看作是高斯分布的空間平面光場，其耦合理論分析已較為成熟［10］．其次由于大氣分子散射在各個方向具有隨機性，故通過望遠鏡耦合進單模光纖相對于多模光纖的總耦合效率ηT可表示為ηT＝ηM?ηS（1）式中，ηM是橫向模式數(shù)導致的耦合效率，如果耦合進多模光纖的模式數(shù)為M且假設各模式能量相同，則該參量為1／M，ηS為單橫?？臻g光場入射時的耦合效率，也是文獻資料討論最多的耦合參量［3，13］，其在廣泛采用的ZEMAX光學軟件中可表示為單模光纖的總耦合效率，故ηS＝S?T（2）式中，S為系統(tǒng)耦合效率或結構耦合效率，主要反映望遠鏡入瞳孔徑及中央遮擋引起的光能損失，還包括光學元件吸收和光學薄膜的影響，在該耦合系統(tǒng)中主要體現(xiàn)中央遮擋對耦合效率的影響，可表示為［10］式中，F(xiàn)S（x，y）為入射光場的幅值分布，t（x，y）為光學系統(tǒng)的幅值傳遞函數(shù)，E表示入瞳平面；而T可稱為接收耦合效率，主要反映由于光學系統(tǒng)像差引起的波前相位變化與光纖導模失配產(chǎn)生的損耗，是通過光學器件可改善的主要參量，其定義式為［10］T＝［Fr（x，y）W＊（x，y）dxdy2］／［Fr（x，y）?F＊r（x，y）dxdyW（x，y）W＊（x，y）dxdy］（4）式中，F(xiàn)r（x，y）為光纖導模的模場分布，W＊（x，y）為出瞳波前的復數(shù)共軛．故ZEMAX軟件可對單橫?？臻g光場耦合進單模光纖的耦合效率進行較好的仿真分析．結合通用多模光纖耦合的喇曼激光雷達系統(tǒng)的經(jīng)驗，以實驗室現(xiàn)有的日本TAKAHASHI公司Mewlon－250型卡塞格林望遠鏡為基礎進行望遠鏡單模光纖耦合器結構設計，其三維結構如圖1．該望遠鏡屬于Dall－Kirkham結構，其主鏡M1為直徑260mm且錐度系數(shù)－0．6925的橢球面，副鏡M2為直徑72mm的球面，反射鏡表面鍍多層鋁膜以提高回波光場信號的收集效率，P1為入瞳，B1為中央遮擋．望遠鏡有效焦距為3m，且主鏡與副鏡之間距離可通過電機控制進行調(diào)節(jié)，使焦距可在2．74m到3．25m間變化．由于直接從望遠鏡耦合進光纖，光路較長，對系統(tǒng)機械穩(wěn)定性要求較高，同時為盡量與單模光纖的數(shù)值孔徑0．13進行匹配，通常在望遠鏡底部增加一片附加正透鏡L1（圖1右下局部放大圖）以縮短光路［10］，減少其合成焦距，提高系統(tǒng)機械穩(wěn)定性．由于單模光纖傳輸條件依賴于光纖芯徑與數(shù)值孔徑，結合市場調(diào)研情況選擇美國Nufern公司460－HP單模光纖作為目標光纖．望遠鏡與單模光纖耦合系統(tǒng)的效率依賴于望遠鏡焦距、附加正透鏡型號及位置、非球面透鏡AL型號及位置等，且因激光雷達遙感技術是一種能量探測而不是成像系統(tǒng)，故理論上需要以單模光纖耦合效率為優(yōu)化目標對上述結構參量進行優(yōu)化設計．但ZEMAX軟件很難對附加正透鏡型號和非球面透鏡型號等離散數(shù)據(jù)進行全局優(yōu)化設計，由于附加透鏡和非球面透鏡對耦合效率影響最大的參量是焦距，而將望遠鏡接收耦合系統(tǒng)的組合焦距設計在900mm左右可使激光雷達探測效果更佳［12］，通過ZEMAX仿真選擇美國CVI公司PLCX－50．0－51．5UV平凸透鏡作為附加透鏡，由于非球面透鏡加工及檢測較為復雜［15］，通過調(diào)研選擇美國Thorlabs公司多種焦距且反映集光能力參量數(shù)值孔徑（NA）較大的非球面透鏡（如355390，355660，352330，A414，352340，A230，A390，A110，A240）分別進行優(yōu)化設計和仿真分析，最終確定由1個偶次非球面和1個球面組成的A390非球面透鏡（圖1右上局部放大圖）作為耦合系統(tǒng)核心器件．該非球面透鏡的有效焦距為4．60mm，NA為0．53，其偶次非球面（圖1局部放大圖左側面）為式中，c為曲面的曲率，其數(shù)值為半徑3．50mm的倒數(shù)，錐度系數(shù)k為－0．3366000，r為橫向坐標；球面（圖1右上局部放大圖右側面）的曲率半徑為－42．19mm．然后以耦合進單模光纖的耦合效率為優(yōu)化目標函數(shù)對各光學器件間相對位置進行優(yōu)化設計，通過POPD（物理光學傳輸）等運算符進行優(yōu)化表明，當未采用非球面透鏡時，附加正透鏡距望遠鏡副鏡672．7mm，像面距附加正透鏡51mm，系統(tǒng)效率S為76．4％，接收效率T為46．1％，單模光場總耦合效率ηS為35．2％；當采用非球面透鏡時，附加正透鏡距副鏡704．5mm，非球面透鏡距附加正透鏡35．39mm，光纖端面距非球面透鏡1．268mm，單模光纖的接收效率T可改善為67．6％，單模光場總耦合效率ηS可提高至51．7％，耦合效率比未采用非球面透鏡耦合時提高約45％．故非球面透鏡將改變望遠鏡接收會聚光場的能量分布，提高其與單模光纖導模分布的匹配效率，進而提高望遠鏡與單模光纖的耦合效率．為說明非球面透鏡對焦平面上愛里斑能量集中程度的改變，圖2給出了軟件仿真得到的采用非球面透鏡前后的包圍圓能量變化情況，可看出通過增加非球面透鏡可使半徑為1．6μm的圓內(nèi)的能量由40％增加到約68％，且在2μm附近出現(xiàn)平坦區(qū)，這可減少光纖對準時橫向偏移的準確度要求，而通常光纖對準誤差中影響最大就是橫向偏移誤差［10，12］．對不同視場角情況進一步仿真分析表明，在0．004°內(nèi)其包圍圓能量分布曲線變化不大。為進一步分析視場角對愛里斑耦合能量分布的影響，圖3（a）～（c）給出了所設計耦合系統(tǒng)入射角度分別為0、0．002°和0．004°的點列圖，可看出當視場角不為0時，存在較為明顯的彗差，但其能量基本處于黑色實線圓（直徑為4．41μm）所表示的衍射極限范圍內(nèi)．由于通常激光雷達系統(tǒng)進行的是能量探測，不同于天文領域的成像光學系統(tǒng)，一般不考慮光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，這就使我們可將提高耦合能量作為設計和優(yōu)化的唯一目標．激光雷達發(fā)射系統(tǒng)一般具有0．1mrad的發(fā)散角，而激光雷達中接收視場角一般要求略大于發(fā)射系統(tǒng)發(fā)散角，取0．12mrad，故可認為接收回波信號將大略位于0．004°范圍內(nèi)，圖3仿真結果表明在半徑59μm的范圍內(nèi)放置單模耦合光纖，都將獲得較好的耦合效率．另外，由于激光雷達系統(tǒng)利用發(fā)射光束的回波信號，而不是空間激光通信系統(tǒng)中的前向傳輸信號，回波信號將在耦合平面上形成一個面積較大的彌散斑，故在此系統(tǒng)中可通過在光纖耦合平面放置多芯光纖束來提高系統(tǒng)總耦合能量．

2耦合實驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析

2．1耦合實驗系統(tǒng)為驗證上述耦合系統(tǒng)的效果，搭建圖4實驗系統(tǒng)進行初步實驗，圖中光源發(fā)出的光，經(jīng)正透鏡會聚后，分別進入直接耦合a和非球面透鏡耦合b兩個子系統(tǒng)，輸出光進入色散型光譜儀（OSA），利用該實驗系統(tǒng)可進行三方面耦合效果分析．首先可驗證非球面透鏡對耦合效率的改善作用，由于實驗中直接耦合進單模光纖因其芯徑太小導致對安裝誤差要求較高，故此處未采用單模光纖直接耦合作為耦合效率提高程度比較的基礎，而是將入射光先耦合進大芯徑多模光纖（0．2mm）后，再經(jīng)FC接頭直接耦合進入單?；蛐⌒緩焦饫w（芯徑約為3～10μm），雖FC接頭同型光纖互聯(lián)時插入損耗典型值為0．2dB（95．5％），但其主要原因是光纖對準誤差，此處因大芯徑光纖NA為0．22，其芯徑為小芯徑光纖幾十倍，故對準誤差對插入損耗影響很小，可用于該實驗測試；而非球面透鏡耦合子系統(tǒng)b利用非球面耦合透鏡直接將入射光耦合進入單?；蛐⌒緩焦饫w，這兩種子系統(tǒng)方案足以說明非球面透鏡對耦合效率的改善作用．其次，利用不同芯徑光纖的耦合效率比可粗略分析相同入射光場的耦合效果，實驗中單模光纖位置需要測試幾種不同的小芯徑光纖的耦合效果，如美國Nufern公司的460－HP光纖、1550B－HP光纖和英國Fibercore公司的SM980－5．8－125光纖（表1），但實際上只有460－HP光纖能夠?qū)崿F(xiàn)532nm波段的單橫模傳輸，其目的在于為非球面透鏡改善單模光纖相對耦合效率提供更可靠的數(shù)據(jù)，并分析耦合效率比與芯徑比平方之間關系．最后可分析入射光場橫向模場分布對耦合進單模光纖效率的影響，將光源分別采用波長位于532nm附近LED燈和激光器，以分別模擬多橫模和單橫模光源的耦合效果，實驗分析入射光場橫模分布對耦合進單模光纖的影響，實驗中LED燈型號為LED525E，其發(fā)散角為15°，中心波長為525nm，3dB帶寬為5nm，功率為15mW；而激光器將使用Nd∶YAG激光器的二倍頻激光．另外，實驗中不同芯徑單模光纖長度為2m，且需要采用兩個半徑為10mm圓環(huán)進行擾模處理，而對于多模光纖因其主要作用是減少不同小芯徑耦合光纖的安裝誤差，故未對其進行擾模．實驗中將采用PrincetonInstruments公司的SP2500光譜儀作為耦合系統(tǒng)的光電探測系統(tǒng)，它采用精密的光柵鍍膜技術，可將光能損失降至最低，其掃描光譜給出了不同波長的功率相對值．為盡量減弱光電轉(zhuǎn)換中非線性效應對測量結果的影響，評價光譜儀相對光強參量的線性度是非常必要的，將是該實驗系統(tǒng)有效性的重要保障．首先采用一組濾光片對光譜儀相對強度值進行測量，為減少不同濾光片厚度對耦合光路的影響，構造實驗系統(tǒng)時首先使LED燈發(fā)出的光通過一個透鏡進行準直，經(jīng)濾光片后再利用正透鏡使光線匯聚并耦合進多模光纖．為減少實驗中系統(tǒng)誤差，未采用標稱透過率，而是首先利用實驗系統(tǒng)對各濾光片進行測試，然后計算每個濾光片的透過率，圖5（a）給出了其中1組實測數(shù)據(jù)，點劃線表示未加濾光片衰減時LED燈的光譜分布，虛線為增加某濾光片時的光譜分布，而實線是由這兩組數(shù)據(jù)計算得到的透過率曲線，可看出透過率曲線在490～560nm基本比較穩(wěn)定，說明濾光片對不同波長光信號的衰減率基本是一致的，而在該范圍之外則由于光功率較低而導致透過率起伏較大，故實驗數(shù)據(jù)處理時宜采用490～560nm的透過率平均值作為該濾光片透過率值．然后將上步中測得的透過率作為真值，計算2個及以上的濾光片組成濾光片組的理論真值，并利用光譜儀測試通過該濾光片組的透過光功率，并將理論值與測得值進行比較以評價光譜儀相對光強參量的線性度．圖5（b）給出了測量點與其擬合直線，其斜率為0．985，截距為173．7，相關度為0．9994，可說明光譜儀相對強度與入射光強之間具有很好的線性．

2．2實驗數(shù)據(jù)分析當采用LED燈作為光源時，可評價多橫模光源的耦合性能．圖6（a）給出了耦合進光纖460－HP的功率譜特性，其中點劃線是直接耦合時光功率譜的相對強度，實線表示非球面透鏡耦合時的相對強度，非球面透鏡耦合比直接耦合時耦合效率增加約48％；圖6（b）給出了耦合進光纖1550B－HP的功率譜特性，點劃線是直接耦合時光功率譜的相對強度，實線表示非球面透鏡耦合時的相對強度，非球面透鏡耦合比直接耦合的效率增加約47％，耦合效率的增加量大略與仿真結果45％相當，這可說明利用圖4中子系統(tǒng)a和b耦合效率的比值可反映非球面透鏡對耦合效率的改善作用．

2．3直接耦合和非球面透鏡耦合分別耦合進460－HP與1550BHP光纖的耦合效率比約為13％和12％，這大略等于通常采用的光纖芯徑比平方12％［13］．當采用激光作為光源時，可評價單橫模光源的耦合性能．圖7（a）給出了耦合進光纖460－HP的功率譜特性，點劃線表示直接耦合時光功率譜的相對強度，實線為非球面透鏡耦合時的相對強度，非球面透鏡耦合比直接耦合時耦合效率增加約31％；圖7（b）給出了耦合進光纖SM980－5．8－125的功率譜特性，點劃線為直接耦合時光功率譜的相對強度，實線表示非球面透鏡耦合時的相對強度，非球面透鏡耦合比直接耦合時耦合效率增加約20％，耦合效率的增加量與仿真耦合的45％偏離較大，這或可歸因于單模激光耦合時耦合效率對位置的調(diào)整極為敏感．另外，直接耦合和非球面透鏡耦合方式耦合進460HP光纖與SM980－5．8－125光纖的耦合效率之比分別約為88％和86％，這偏離光纖模場芯徑之比平方36％較大，其耦合效率之比約為模場芯徑比平方的.

2．4倍，這可能是由于高斯分布的單模激光模場與光纖模場匹配效率較高，且其能量大部分位于纖芯中心導致的，該結論對全光纖激光雷達系統(tǒng)具有重要意義．另外多橫模特性光源（LED燈）與單橫模特性光源（激光）的耦合效果對比，不僅說明非球面透鏡對望遠鏡與單模光纖的耦合效率具有明顯改善，而且對高斯分布的激光耦合進小芯徑光纖不宜采用芯徑比平方估算耦合效率，這對于搭建采用該激光器的全光纖喇曼激光雷達系統(tǒng)具有積極意義．

篇2

關鍵詞：光纖；半導體激光器；耦合方式

0 引言

半導體激光器自1962年問世以來發(fā)生了極大地變化，有力的推動了現(xiàn)代科學技術的發(fā)展。半導體激光器具有光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、耗電少且價格低等優(yōu)點，因而廣泛應用于廣泛使用于光纖通信、激光測距、激光打印、激光掃描、激光指示器以及航空航天等重要領域。對于半導體激光器來說，受自身結構特點的影響和制約，進而在一定程度上降低了半導體激光器的出射光束的質(zhì)量，不僅在垂直和平行于PN結兩個方向上的光束不對稱，而且存在有很大的發(fā)散角，另外，對驅(qū)動電源要求比較高，進一步增加了實際應用的難度。對于半導體激光器來說，光纖和半導體激光器的耦合技術能夠?qū)ζ涔馐M行整形、準直、變換，同時能夠耦合到光纖中，這樣就可以輸出對稱并且亮度較高的光束。

1 光纖與半導體激光器的耦合方式

通常情況下，光纖與半導體激光器的耦合方式可以分為：（1）光纖與激光器不經(jīng)過任何系統(tǒng)進行直接耦合。（2）將透鏡、棱鏡等光學零件插入激光器和光纖之間的方法，即分離透鏡耦合法。在光纖與半導體激光器進行耦合的過程中，無論哪種方法，其耦合的目的都是對半導體激光器輸出的光場進行整形，進而在一定程度上使得入射光場與光纖本征光場分布實現(xiàn)最大限度的匹配。

1.1 分離透鏡耦合

在耦合系統(tǒng)內(nèi)部，各光學零件之間與光纖以及耦合系統(tǒng)都是相互分立的，在這種情況下，對于半導體激光器、耦合系統(tǒng)和光纖之間的共軸準直性要求比較好。在封裝的過程中，采用一些加工精度較高的支承件固定各光學零件，在一定程度上確保較好的準直性，但是這樣做法增加了成本，并且尺寸比較大。在系統(tǒng)中，一般將光學零件的尺寸控制在毫米量級，進一步減小其體積，這在無形中增加了加工的難度，同時成本比較高。但是，這類耦合系統(tǒng)的優(yōu)點是，通過精確設計和加工可以最大限度地改善光束非圓對稱性、消除像差影響、減少反射損耗，從而實現(xiàn)高效率耦合。下面分別對分離透鏡耦合系統(tǒng)進行介紹。

（1）單球透鏡耦合

這種耦合系統(tǒng)通常是由單個球透鏡構成，與其他透鏡相比，由于球透鏡本身的圓對稱性，進而使得裝配異常簡單。對于單個球透鏡來說，由于其焦距與球差成正比，進而在一定程度上可以通過減小球差的方式，進一步提高耦合效率，同時這也是該耦合方法的關鍵所在。為了進一步消除球差的影響，在這種耦合系統(tǒng)中，對球透鏡要求比較高，主要表現(xiàn)為折射率高、焦距短等。對于這種耦合方式來說，激光器與透鏡之間的距離，以及光纖與透鏡之間的距離決定了耦合的效率。

（2）利用自聚焦透鏡

通常情況下，自聚焦透鏡是在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)，借助離子交換技術產(chǎn)生徑向的折射率制成的，這種耦合系統(tǒng)通過折射率的漸變分布進一步實現(xiàn)聚光能力，并且透鏡長度決定焦距。對于平端自聚焦透鏡來說，由于球差較為嚴重，進而使得聚光斑較大，通常情況下，可以將前端研磨成球面，進而在一定程度上對透鏡的球差進行補償，耦合損耗一般可以降為1 db。對于自聚焦透鏡來說，其外形尺寸比較小，孔徑比較大，損耗比較低，但是，需要精密測量和復雜計算，才能進一步優(yōu)化透鏡的折射率分布，并且在加工透鏡的過程中，需要精密研磨曲率球面，進一步增加了制作難度和成本。

（3）利用組合透鏡

在許多光纖耦合系統(tǒng)中，為了進一步提高耦合效率，通常情況下，利用球透鏡、柱透鏡、自聚焦透鏡，以及錐形光纖等進行相互組合。通過透鏡組合可以大幅度提高耦合效率，一般超過75%。但是，在裝配過程中，需要借助專用精密夾具進行精密的調(diào)整，進而在一定程度上增加了工作的難度，同時在封裝階段要求也比較高。

1.2 光纖直接耦合

對于光纖直接耦合來說，通常情況下，主要包括平端光纖直接耦合和對光纖進行加工耦合兩種，例如在光纖的端面制造球形、錐形等。這種耦合系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為靈活方便，加工制作簡單，并且易于集成封裝，憑借該優(yōu)勢，光纖直接耦合系統(tǒng)得到廣泛運用。

（一）平端光纖直接耦合

所謂平端光纖直接耦合就是將經(jīng)過處理的端面平頭光纖直接對向半導體激光器的發(fā)光面。通常情況下，光源的發(fā)光面積和光纖芯徑總面積的匹配，以及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值孔徑角的匹配等是影響耦合效率的主要因素。對于半導體激光器和光纖來說，由于彼此之間的模失配現(xiàn)象比較嚴重，所以采用平端光纖的方式進行直接耦合，但是這種耦合方式損耗比較大，并且耦合效率低。

（二）球形端面光纖直接耦合

通常情況下，通過多種方式都可以獲得球形光纖端面，比較典型的如：（1）在光纖端面上制造一個樹脂的半球透鏡，這種方案比較簡單；（2）在光纖的端面燒制特殊形狀的端球，一般可以采用電弧、氣體火焰或者大功率激光器充當燒制的熱源，這種方案比較實用。在熱源的作用下，光纖端面熔化后經(jīng)過自然冷卻，在表面張力的作用下，進而在一定程度上就會形成各種不同弧度的圓球形端面，并且熱源的溫度、光纖與熱源之間的距離等因素決定著圓球的曲率半徑。在耦合過程中，采用球形光纖端面一方面可以提高半導體激光器與光纖的耦合效率，另一方面可以通過實驗光路進行調(diào)試。

（三）錐形光纖直接耦合

腐蝕、磨削和加熱是制作錐形光纖主要方法。其中，腐蝕、磨削是通過將光纖包層制成錐體，進而使芯徑保持不變，而加熱是通過電弧放電或者熔融拉錐機的方式進行加熱，進而在一定程度上使纖芯與包層一起成比例地拉伸，進一步形成一定長度和錐度的錐體。通常情況下，利用這兩種方法得到的錐形光纖系統(tǒng)，其特性存在一定的差異。而通過加熱方式制造的錐形光纖，其芯層同樣是錐形結構，但是這種結構的耦合效率比較高，同時通過增大錐角可以獲得更大的耦合效率，并且最佳工作距離也隨之不斷減小。

（四）錐端球面透鏡直接耦合

錐端球面微透鏡在目前所有的耦合方法中應用范圍最廣。其制作流程為：首先將光纖端部制成錐形，進而在一定程度上減小端面半徑，然后在錐端形成微透鏡。通常情況下，形成微透鏡的方法，主要包括：（1）直接電弧拋光、整形；（2）對錐端進行處理，然后將其浸入到熔融高折射率玻璃中，同時對浸入的深度、時間等進行控制，進而得到不同大小、不同形狀的錐端高折射率微透鏡。

2 結論

本文通過對實現(xiàn)半導體激光器與光纖耦合的方法進行研究、分析。其中，憑借自身結構緊湊、制作簡單、成本低廉，并且耦合效率高的優(yōu)勢，光纖微透鏡直接耦合技術得到廣泛的應用。但是，這種耦合技術存在偏移容差最小、難于調(diào)整、缺乏穩(wěn)定性等弊端，并且在手工制作時，重復性比較差。除此之外，隨著集成光學、二元光學的不斷發(fā)展，使得獲得成本較低，同時能夠消球差特性良好的微透鏡成為可能。同時，通過對LD本身的結構、工藝等進行改進，在一定程度上對其光束特性進行改善，進一步降低耦合損耗，進而豐富完善了光纖和半導體激光器的耦合方法。

參考文獻：

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[2] 王田虎.半導體激光器和光纖耦合的實現(xiàn)方法[J].新鄉(xiāng)師范高等?？茖W校學報，2007（09）.

篇3

關鍵詞：投影；發(fā)光二極管；光子晶體

中圖分類號：TN312＋8 文獻標識碼：B

Rapid Progress in High-Brightness LEDs for Projection

Christian Hoepfner

（Luminus Devices, Inc., Massachusetts 01821，USA）

Abstract: The increase in the brightness of microdisplay-projection light-emitting-diode (LED) light engines has significantly accelerated during the past 3 years, to a level beyond many industry expectations. This acceleration has enabled the emergence of LED projection TVs. Here, we review the progress made with LEDs for projection applications and the products being enabled. Design considerations for LED-based light engines are discussed, and an outlook for further brightness improvements and new products is presented.

Keywords:projection；LED；photonic lattice

對微型顯示投影而言，發(fā)光二極管（light-emitting diodes，LED）是長期有效的優(yōu)良光源；與傳統(tǒng)超高壓燈具相比，它擁有眾多優(yōu)勢，如壽命長、發(fā)射光譜窄（因此色彩飽和度高、色域大）、環(huán)境友好等。脈沖 LED 具有很高的速度，能應用于精密電源和色彩處理系統(tǒng)中。這種牢固的固態(tài)技術具有特殊的緊湊結構，使其能夠耐受惡劣環(huán)境。

盡管優(yōu)點很多，將 LED 用作投影電源的研究仍花費了多年時間。其中是唯一的、最關鍵的挑戰(zhàn)是：需要由投影透鏡提供足夠的亮度。LED 不可能和弧光燈一樣明亮，而且永遠也不可能。因此，基于 LED 的高亮度微顯示投影系統(tǒng)的設計需要對投影系統(tǒng)各方面進行優(yōu)化，既包括 LED，也涉及照明及投影光路。

自 2005 年以來，一些小封裝（small-form-factor）前投 LED 投影儀已經(jīng)投放市場，它們經(jīng)常被稱作便攜投影儀或便攜探測器。東芝、三菱、三星相繼推出了這類投影儀，都使用了 OSRAM 和 Lumileds Lighting 公司的 LED。該規(guī)格投影儀投影透鏡的光通量為 15~25 lm。2007 年春季推出了更新的型號，光通量達到 50 lm。2006 年夏季，緊隨 NuVision 的原型機之后，三星推出了第一個微顯投影電視。該電視使用了 Luminus Devices 公司的新型 LED，即 PhlatLight LED（圖1），這是第一種專門為微顯投影設計的 LED，并且亮度首次超出了高品質(zhì)投影電視所需的閥值。2007 年春季，三星的六種新型投影電視產(chǎn)品打入了美國市場，屏幕尺寸分別為 50in、56 in和 61 in（圖2）。此外，2007 年 7 月，LG 電子公司推出了一款使用 Phlat Light LED 的便攜投影儀，這款商務 LED 便攜投影儀首次突破了 光通量100 lm 的屏障。

下文將介紹投影儀用 LED 的設計要求，重點講述促使首款液晶投影電視產(chǎn)生的 Phlat Light LED 的設計。伴隨著這次突破，在光學引擎的設計上投入了相當可觀的精力，對此后文將會提到，只因為它使人們產(chǎn)生了將 LED 作為光源的想法。

1小型 étendue 光學引擎的要求

現(xiàn)代微顯電視光學引擎使用的微型顯示器的對角線長度在 0.45 ～0.95 in之間。微型顯示器是光學引擎上最昂貴的部件，這就為縮小微型顯示尺寸提供了動力，因此誕生了小型 étendue。投影透鏡之類的光學元件的成本和尺寸也更傾向于使用微型顯示器。

這種光學引擎的小型 étendues 決定了 LED 發(fā)光面積只能很小，在 8~24mm2 范圍內(nèi)。因此需有效利用 LED 的發(fā)光面積。這對面發(fā)射的 LED 有利，因為沿邊緣發(fā)射的 LED 需要額外的光學器件來收集這部分光，從而增加了實際光源 étendue。一個好的 LED 光源應該是面發(fā)射器，需要非常精確的發(fā)光面照亮微型顯示器。發(fā)光面積的寬高比要與微型顯示器匹配，對于任何投射角度都要進行修正；對高清晰度電視（HDTV）而言，通常采用 16:9 的寬高比。由于 LED 芯片較小造成的發(fā)射面上的任何縫隙都將使實際亮度減弱。因此，采用具有合適尺寸和寬高比的單塊大面積 LED 芯片是最理想的。

2投影儀用 LED

LED 光學引擎亮度得到提高主要歸因于以下三方面：(1) LED 技術整體得到提高；(2) LED 的設計符合光學引擎的要求；(3) 光子晶體 LED 的出現(xiàn)。

今天，LED 產(chǎn)業(yè)有數(shù)十億美元的產(chǎn)值，其中手機屏和鍵盤照明占據(jù)了大部分市場。與技術發(fā)展相隨相伴的是巨大的競爭壓力，它使得 LED 發(fā)光效率穩(wěn)步改善，這也是 LED 產(chǎn)業(yè)廣泛用作優(yōu)質(zhì)圖像顯示的重要原因。對于投影電視，實際亮度是最關鍵的性能參數(shù)，而不是發(fā)光效率。盡管如此，發(fā)光效率的大幅提高也會使系統(tǒng)亮度提高。因此，LED能應用于投影儀中，得益于標準 LED 的整體改善。

要滿足小型 étendue 光引擎的要求，發(fā)射面積尺寸與微型顯示器相匹配的單塊 LED 芯片最為理想。舉例來說，針對 DLPxHD5 微型顯示器已經(jīng)設計出了 PT120 PhlatLight 投影芯片組，其發(fā)光面積為 12 mm2，寬高比 16:9。這使得微型顯示器 étendue 具有優(yōu)化利用的前提。

3用于微型顯示投影儀的 PhlatLightTM LED

PhlatLightTM LED 是首個專為微型顯示投影設計的 LED。為實現(xiàn)高亮度的要求，在芯片和封裝方面采用了一系列新技術。

光子晶體，通常也稱為光子晶格或光子帶隙材料，是將周期結構嵌入介質(zhì)或半導體材料中產(chǎn)生的。周期結構的晶格常數(shù)與光波波長相當，臨界尺寸小于 100 nm。該周期結構（如圖 5 所示）產(chǎn)生光學帶隙，阻止某些頻率和方向的光傳播，因此能從根本上改變光在基體材料中的傳播。特定的 PhlatLight LED 光子晶體限制光沿量子阱方向的橫向傳播。因此光線被迫處于垂直于界面的狀態(tài)，并穿過界面射出芯片。因此，PhlatLight LED 芯片沒有邊緣發(fā)射；所有光都從界面發(fā)射。因為平行于量子阱（quantum well）傳播的光線易于被重復吸收，所以光線射出芯片表面的驅(qū)使力也會使光汲出效率（extraction efficiency）增強。此外，對光子晶體進行設計，可以使更多光線達到接近表面法線的狀態(tài)，從而實現(xiàn)平行發(fā)射（collimated emission）。雖然這種平行效應沒有使LED 的總流量增加，但使匯集于光學引擎 étendue 中的光線增加了，提高了透鏡和分色鏡光透過率的效率。PhlatLight 光子晶體設計的三個特點（表面汲出，提高光汲出效率和平行性）都有利于改善投影系統(tǒng)的亮度。

為了進一步提高系統(tǒng)亮度，PhlatLight LED 也可以設計成在高驅(qū)動電流下工作。為了滿足高亮度 LED 的要求，每個工程師都試圖增大驅(qū)動電流，該電流超出典型的工作電流 0.35 A/mm2或 1 A/mm2。然而，按照傳統(tǒng) LED的設計，在高電流密度下工作可靠性不好，因為高電流密度下產(chǎn)生的電應力和熱應力會降低 LED壽命。

通常用于 LED 的半導體接口能在非常高的電流密度下良好工作，例如激光可以產(chǎn)生高達每mm2數(shù)百安培的電流密度。然而很多 LED 要依靠位于 LED 側向的金屬小觸點傳輸電流，這就會導致電流擁堵在這些金屬觸點上，從而限制了這種 LED 的可靠工作電流。

增加電流密度也意味著需要更大功率并產(chǎn)生更多散熱量。為了保證接口溫度處于可以長期運轉(zhuǎn)的高可靠性水平，從接口到散熱器的熱阻要低于 LED 的標準熱阻。

除了采用光子晶體技術外，PhlatLight LED 還首創(chuàng)了垂直芯片組的設計，以解決電和散熱的問題。已經(jīng)采用藍寶石晶片作為亮度最高的藍色和綠色 LED 的材料。雖然藍寶石能促進高品質(zhì)接觸層和量子阱的生長，但它是電絕緣體、不良導熱體。將外延晶圓和金屬粘著基臺（metal submount）粘結在一起，然后移除藍寶石基板，帶有量子阱的外延層轉(zhuǎn)變成為表面基板材料。新的金屬粘著基臺的熱阻非常低，而且金屬全面積接觸到 LED 上了。因此， PhlatLight LED 的工作電流密度遠遠超過標準高亮度 LED 在典型工作條件下的電流密度。它們的設計和質(zhì)量都能保證在 2.5 A/mm2 電流密度時有足夠長的壽命。例如，發(fā)光面積為 12 mm 2的 PT120 芯片可以在 18 A 連續(xù)電流的情況下工作，相當于高達 100 W 電源的工作情況。如果是脈沖運行，該裝置可以在更高電流下工作，這些特性改善了工作的限制條件，有利于提高亮度，同時保證 LED 的高度可靠性。例如，當總循環(huán)效率為 50%、正向電流為 30 A 時，綠色 PT120 LED 的峰值光通量甚至大于 3,300 lm。

PhlatLight LED 芯片截面如圖 3 所示。包括量子阱在內(nèi)的活化層和金屬黏著基臺相聯(lián)。二維光子晶體結構嵌在 LED 芯片表面。

光子晶體 LED 有一個優(yōu)點經(jīng)常被人們忽視，即光汲取時不需要密封劑。設計的光子晶體將光直接從半導體芯片上提取到空氣中，因此不需要密封劑，而密封劑是 LED 中最不可靠的部件之一。PhlatLight LED 組裝過程中獨有一個環(huán)氧處理工藝，它將 LED 芯片粘著基臺與銅散熱器直接粘結在一起，結果產(chǎn)生創(chuàng)歷史新低的熱阻。這些優(yōu)勢及其高效的電熱設計，使 PhlatLight LED 這種固態(tài)光源具有極高的可靠性，當其在電視工作條件下工作時，平均壽命為 120,000 hr。

4LED 性能的改進

由于采用了上述改進措施，PhlatLight LED 的亮度在過去兩年中得到了很大提高。近年來綠色 PhlatLight LED 亮度的提高情況如圖 4 所示。對于可見顯示而言，綠色實際上是最難生產(chǎn)的色彩，在提供白色光通量色彩平衡中幾乎總是瓶頸。與2006 年初使用 PhlatLight LED 設計制造的第一臺投影電視相比，綠色 LED 的亮度已經(jīng)翻了一番。高亮度大多可以降低電視系統(tǒng)的成本，例如，可以使用較小的微型顯示器。

對于所有 LED，包括 PhlatLight LED 在內(nèi)，亮度提高仍有很大的發(fā)展空間。研究在加速進行，預計在 18 個月內(nèi) PhlatLight 的亮度將增加1倍。這將促使更多新穎的、革新的投影儀投入應用。

5LED 光學引擎的設計思路

雖然投影 LED 的亮度已大幅提高，通過投影透鏡的光通量足夠大了，但仍需要對光學引擎進行細致的設計。一般 LED 光學引擎光路的 f/# 小于燈基模式（lamp-based model）；增加 étendue，促進了更大 LED 源的使用，從而使得光通量更高?？赡艿膶Ρ榷葥p失可以通過很好的光學設計來彌補；可以利用 LED 的快速響應實現(xiàn)亮度動態(tài)管理。雖然錐形光波導或拋物線形光波導有利于收集來自 LED 的光線，無論單個還是兩個非球面透鏡，通常都不能產(chǎn)生如此高的亮度。這是因為遠離 LED 表面的光線具有發(fā)散角，雖然它可以被導光板收集，但是并不能被后續(xù)的投影光路有效地傳輸出來。

對于典型的 LED 發(fā)光光學，入射光角度大時，需要對彩色合成的二向色性進行設計。LED 不發(fā)射紫外光。因此與燈基系統(tǒng)相比，所有透鏡的鍍層在藍色光譜范圍內(nèi)均可設計成較大透光率。

LED 的散熱處理非常重要。LED 有個特點：只能在低溫下運行。LED 活性區(qū)，包括量子阱，通常在 70~120 ℃ 溫度下工作，在某些情況下允許溫度高些，但一定要低于 200 ℃。這和超高壓燈形成了鮮明對比，超高壓燈活躍區(qū)（?。囟燃s為 6,000 ℃，甚至石英管外的溫度也可以達到 800 ℃ 左右。另一方面，由于 LED 結溫如此之低，所以它會隨環(huán)境溫度變化。便攜投影儀或投影電視大部分使用帶風扇的簡單散熱片作為空氣冷卻系統(tǒng)。對于一些電視，則采用熱管傳遞電視柜中的熱量，散熱很方便。LED 通常不需要液體冷卻。

通常冷卻部分的設計要保證 LED 結溫低于最大限度值：藍色和綠色 PhlatLight LED 結溫低于 120 ℃，紅色 PhlatLight LED 結溫低于 80 ℃。藍、綠、紅色 LED 的結溫不同，因為它們使用的半導體材料不同，這些材料具有不同的溫度靈敏度。實際上大部分 LED 結溫低于最高限制溫度，并隨著環(huán)境溫度的變化而波動。因此，需要色彩處理系統(tǒng)補償不同色彩間相對光強的溫度誘導變化。

6下一代 LED 投影產(chǎn)品

最初的 LED 市場反饋表明，LED 照明投影電視非常流行，因為它們不用更換超高壓燈，并具有優(yōu)良的色彩重現(xiàn)性。因此人們期望大部分投影電視生產(chǎn)線在 18 個月內(nèi)從超高壓燈轉(zhuǎn)為 LED 照明。在 2009 年，絕大部分微顯投影電視將使用 LED 作為光源。

預計基于高端電視光學引擎的高畫面質(zhì)量的家庭影院投影儀將于 2008 年進入市場。這些家庭影院投影儀使用更大的微型顯示器，因此具有前投所需的更高的亮度和對比度，投影透鏡的光通量在 500 ~1，000 lm 之間。

120~150 lm 便攜投影儀將于 2008 年面世。提高LED 亮度可以降低投影儀成本，這樣有利于占有更大的市場份額。

通常稱為 nano-projector 或 pico-projector 的微型投影儀正在研制之中，預計于 2008 年進入市場。因為 LED 是一種成熟的技術而且比較便利，因此大多數(shù)模塊將采用 LED 作為光源。

近年來在投影電視的跟蹤調(diào)查中，LED 亮度和效率的改進最終會使其它視覺顯示產(chǎn)品受益。LCD 電視用的 LED 背光源（BLU）也需要高效綠色 LED。例如，PhlatLight LED 的平行特性使其可以用于光波導的有效光耦合，適用于邊緣散射的巨型 BLU（＞ 52 in）。

7結論

LED 作為微顯示投影光源具有廣闊的前景。常規(guī)LED 產(chǎn)業(yè)，以及新的、為投影儀專門設計的 PhlatLight 光子晶體 LED 促進了 LED 性能的快速提高，使 LED 光學引擎特性達到了新水準。LED 已成為成熟的、數(shù)十億產(chǎn)值的產(chǎn)業(yè)。普通光學應用的巨大市場、產(chǎn)業(yè)的競爭性以及已有制造商和新興企業(yè)的持續(xù)改進，都將持續(xù)推動 LED 性能的發(fā)展，使其能夠滿足更精彩的顯示領域的應用。