塑料光纤微透镜耦合平头发光二极管
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作者简介： 耿旭辉（1986），男，辽宁葫芦岛人，博士研究生，主要从事光学检测器方面的研究。
摘要： 为了有效耦合平头发光二极管（LED），使用机械方法加工了锥球面塑料光纤（POF）微透镜。平头发光二极管由圆头发光二极管打磨掉聚光帽制得，其出光端面与芯片距离小于0.5 mm。锥球面塑料光纤微透镜用数控机床加工制得。采用光线追迹法对耦合模型进行了分析。实验优化了锥球面光纤微透镜的参数、锥角、小球半径、工作距离和单端/双端模式，并理论分析了双端锥球面微透镜耦合的实验结果。当双端锥球面光纤微透镜锥角为140°、小球半径为0.15 mm时，可带来20.4%的耦合效率增益。所用加工方法有利于微透镜参数优化，具有较好的加工精度和重现性，可以用于制作塑料光纤微透镜。
中图分类号： TN 312.8文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.04.005
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10 000 h），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0.5 mm，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5 μm）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。
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=0.15 mm，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。
旋转角度/（°）060120180240300360平端光纤耦合效率/% 44.844.644.544.344.544.744.9锥球面光纤微透镜耦合效率/%62.762.361.861.461.762.362.6
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=0.15 mm和θ=135°，r=0.15 mm。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=0.15 mm得到最高的耦合效率65.2%。
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=0.15 mm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=0.15 mm。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LEDPOF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0.15 mm，耦合效率比平头光纤提高了20.4%。本文对提高LEDPOF系统的性能有借鉴意义。
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