塑料光纤微透镜耦合平头发光二极管＊

耿旭辉，吴大朋，关亚风

（1.中国科学院 大连化学物理研究所 仪器分析化学室 中国科学院分离分析化学重点实验室，辽宁 大连 116023；2.中国科学院研究生院，北京 100039）

引 言

塑料光纤（POF）成本低、机械强度高、弹性良好、热稳定性高和抗潮湿能力强，它逐渐在短距离光学网络中被使用［1］。POF系统性能主要依赖于光源与POF的耦合效率。光纤微透镜简单、紧凑，可一步同轴校准，是一种常用的耦合手段。目前，POF微透镜可有效耦合不同光源，例如半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）［2］。POF微透镜的制作通常有三种方法：化学蚀刻［3］、加热模压［2］、聚合物浸沾［4］。最近，Chandrappan课题组采用加热模压法和聚合物浸沾法制作了球面POF微透镜，耦合效率增益27%［5］。聚合物浸沾法制作的微透镜不产生变形的“耳朵”，它优于加热模压法。然而上述三种方法都是基于化学或物理原理，不易精确调节和优化微透镜参数。

LED体积小、成本低、光强稳定、光学效率高及寿命长（大于10 000h），已作为光源广泛应用于POF通信和POF传感器［6］。平头LED的制作方法是：将原始圆头LED的聚光帽处理掉，直至出光端面与芯片的距离小于0.5mm，然后将出光端面磨平抛光。其端面中心光强是原始圆头LED的4倍［7］，这种高亮平头LED在短距离的POF应用中有一定优势和应用前景，但极大的发散角削弱了其与光纤的耦合效率。

锥球面光纤微透镜能有效耦合LD与石英光纤［8］。LED与LD的光束模式相同，都是椭圆高斯光束。LED的光束模式更接近正圆，更适合用锥球面光纤微透镜有效耦合。

POF硬度低、不易碎裂，适合数控机床直接加工制作。而且，数控机床加工，可由计算机精确调节和控制微透镜参数。在加工精度内，可方便地加工任意参数，有利于微透镜参数优化。短距离通信用的POF直径为毫米量级，常规数控机床（加工精度5μm）就能满足加工要求。另外，机械加工避免了加热模压法引起的POF变形［5］。为推广高亮平头LED在短距离光纤通讯中的应用，本文用数控机床加工了一系列锥球面POF微透镜用于有效耦合平头LED，并对加工方法和耦合效率进行了详细考察。

1 实 验

原始光源为蓝色的圆头LED（φ3mm，λmax470nm，20mA×3.05V，发散角30°，深圳世峰光电）。将该圆头LED的聚光帽磨掉，直至出光端面与PN结的距离在0.5mm以下，然后将出光端面磨平抛光，制得平头LED。实验测得，平头LED的发散角为180°。LED通过5V恒压电源驱动，串联100Ω限流电阻，使用前在20mA下老化150h以消除它固有的低频噪音。为使出射光来自端面，LED的侧面用55μm厚黑色遮光胶带（LED光透过率小于1×10－4，BTX－8923AD，昆山比太祥电子）缠上。POF（芯径PMMA 3mm，氟树脂包层厚28μm，长30mm，数值孔径NA＝0.5，南京春辉科技）传输LED光至硅光电池（λsmax850nm，半发散角60°，光敏面积2.65mm×2.65mm，BPW 34S，欧司朗科技，德国）。光纤端面没有涂覆抗反射层。自制光学校准系统同轴固定LED、POF和硅光电池。图1为系统结构示意图，由发光二极管LED、固定LED的螺纹、LED与光纤耦合的铝模块、光纤、固定光纤的螺纹、光纤与硅光电池耦合的铝模块和硅光电池组成。设计保证光纤在通道内仅能前后滑动不能晃动。

图1 系统共轴设计示意图Fig.1 Schematic diagram of coaxial device of the system

2 光线追迹法光学过程分析

射到锥球面微透镜上的光，传输至硅光电池之前，会经过三类界面。光强从I0衰减到I3。光路图见图2。检测光强I3为：

其中，ρ1、ρ2、和ρ3是每类界面的反射系数，N 是第Ⅱ类界面的反射次数，取决于POF的长度。ρ1、ρ2、和ρ3由菲涅尔方程计算：

其中，sin（I）／sin（I′）＝n2／n1，I是入射角，I′是折射角，n1是入射介质的折射率，n2是折射介质的折射率。对于第Ⅱ类和第Ⅲ类界面，光从光密介质射入光疏介质，若入射角超过相应的全反射临界角，将发生全反射（ρ＝100%）。其他条件不变的情况下，耦合效率为：

图2 整个光学过程光路图Fig.2 Light path photograph of the whole optical process

其中，θ（锥角）和r（小球半径）是锥球面微透镜的加工参数。wd（工作距离）是锥球面微透镜的工作参数，即微透镜与平头LED的距离。这三个参数彼此独立，每个参数都有一个最佳值使耦合效率η最大［8－9］。采用单参数优化方法分别优化它们。

3 结果与讨论

3.1 锥角θ，小球半径r，和工作距离wd

平头LED的发散角是180°，为了保证足够的光收集水平，锥角θ应为钝角。为评价锥角θ对耦合效率的影响，加工了七个相同小球半径r＝0.1mm、不同θ的锥球面光纤微透镜（从120～180°）。图3实线为实验结果，微透镜处于最佳wd处。随着θ的增加，耦合效率先增加后下降。最佳锥角为140°。为评价r对耦合效率的影响，加工了八个相同θ＝140°、不同r的锥球面光纤微透镜。r从0.1～0.5mm。实验结果见图3虚线，微透镜处于最佳wd处。随着r的增加，耦合效率先增加后减小。最佳r为0.15mm。优化wd实验中发现，微透镜的最佳wd值确实随θ和r变化［9］。对锥球面微透镜θ＝140°，r＝0.15mm，最佳wd大约为200μm。图4为该微透镜的显微照片（90倍放大）。

图3 耦合效率随锥角θ和小球半径r变化三维图Fig.3 Three－dimensional photograph of coupling efficiency with various taper angles（θ）and spherical radii（r）

图4 锥角140°，小球半径0.15mm的锥球面微透镜的显微照片（90倍）Fig.4 Micrograph（90 ×）of a fiber end with taper angle of 140°，spherical radius of 0.15mm

加工两款锥球面微透镜，评价旋转角度对耦合效率的影响［9］。将微透镜紧靠平头LED，取θ＝140°，r＝0.15mm，实验结果见表1。耦合效率随旋转角度变化很小。六个旋转角度的耦合效率的相对标准偏差（RSD）小于1%。这意味着系统的旋转公差性能良好。为消除旋转角度对实验带来的微小干扰，所有数据都是在相应的最佳旋转角度下测得的。

表1 耦合效率随旋转角度变化Tab.1 Coupling efficiency at various rotational angles

3.2 双端锥球面光纤微透镜

为了使与硅光电池耦合的锥球面微透镜能够带来与平头LED耦合类似的增益。加工了两款双端锥球面微透镜，参数 为：θ＝140°，r＝0.15mm 和θ＝135°，r＝0.15mm。微透镜处于最佳wd处，表2为实验结果。与期望相反，双端加工仅带来一点增益甚至负增益。根据菲涅尔定律，可作如下解释：

图5为单色光束从空气（air）射入有机玻璃（PMMA）界面和PMMA射入air界面时反射系数随入射角的变化情况。曲线2表示光从光密介质传输到光疏介质情况。当入射角小于30°（拐角）时，反射系数较低且随入射角变化缓慢。入射角超过30°后，反射系数随入射角增加迅速增加，直到入射角为42.09°（全反射临界角）时，反射系数为100%（全反射）。与平面相比，锥球面增加了光的入射角。对于与硅光电池耦合的锥球面微透镜，增加反射系数（弊）占支配地位，可能抵消甚至超过了聚焦效应（利）。具体利弊大小取决于θ和r。理论解释和实验结果相符。双端锥球面光纤微透镜θ＝140°，r＝0.15mm得到最高的耦合效率65.2%。

表2 不同光纤微透镜的耦合效率Tab.2 Coupling efficiency at various fiber microlenses

图5 由菲涅尔方程计算得的单色光束经过air（n0＝1.000）和PMMA（n1＝1.492）界面时反射系数随入射角变化图Fig.5 Reflectance at various incident angles for a monochromatic beam traveling through air（n0＝1.000）and PMMA（n1＝1.492）as calculated from the Fresnel equation

3.3 性能评价

为评价加工的锥球面光纤微透镜的性能，测试了平面光纤紧贴平头LED的耦合效率，为44.8%。相比之下，双端锥球面微透镜θ＝140°，r＝0.15mm的耦合效率增益为65.2%。为评价本加工方法的重现性，加工了三个双端锥球面光纤微透镜θ＝140°，r＝0.15mm。它们耦合效率的RSD均小于0.3%（64.8%、65.0%、和65.2%）。这说明加工方法有较好的重现性。

4 结 论

提供了POF微透镜加工的一种补充方法，即数控机床加工方法。该方法比现有的化学或物理方法更有利于微透镜参数优化，可在化学或物理方法批量加工前优化微透镜加工参数。机械加工的微透镜具有良好的精度和重现性。高亮平头LED在短距离LED－POF系统中有应用前景，故选择它作为应用对象。在与硅光电池耦合端加工光纤微透镜对耦合效率改进意义不大。双端锥球面光纤微透镜锥角140°、小球半径0.15mm，耦合效率比平头光纤提高了20.4%。本文对提高LED－POF系统的性能有借鉴意义。

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