Lichteinkopplung im Freiraum mit gekrümmten Mikrospiegeln

Mikrospiegel sind Spiegel im Mikrometermaßstab, die in vielen Anwendungen weit verbreitet sind, hauptsächlich in der Glasfasertelekommunikation, bei optischen Scannern und optischen Instrumenten. Mikrospiegel können in photonische Chips integriert werden, die als miniaturisierte Gegenstücke zu den makroskopischen optischen Bänken angesehen werden können. In der optischen Kommunikation sind Mikrospiegel wichtige Bausteine ​​für Kreuzkoppler, variable optische Dämpfungsglieder und durchstimmbare Laser mit externem Resonator. Bei all diesen Anwendungen ist die Effizienz der Ein- und Auskopplung von Licht aus diesen Mikrospiegeln ein wichtiger Leistungsindikator für die Signalqualität. In der Instrumentierung sind Mikrospiegel auch wichtige Bausteine ​​optischer Interferometer und optischer Resonatoren. In diesen Fällen ist die Kopplungseffizienz auch ein wichtiger Leistungsindikator, der die messtechnischen Eigenschaften beeinflusst.

In einer kürzlich erschienenen Forschungsarbeit in der Zeitschrift für optische Mikrosystemeanalysierten Forscher unter der Leitung von Yasser Sabry von der Ain-Shams-Universität in Ägypten das Verhalten von Mikrospiegeln in Abhängigkeit von verschiedenen Merkmalen wie Form, Höhe und Oberflächenqualität. Sie analysierten auch die Auswirkungen der Fehlausrichtung des einfallenden Lichts, wobei sowohl die außeraxiale Fehlausrichtung als auch die Winkelfehlausrichtung berücksichtigt wurden.

Die überwiegende Mehrheit der Mikrospiegel ist flach, und die entsprechende Höhe ist aufgrund von Mikrofabrikationsbeschränkungen normalerweise auf 80 μm begrenzt. Jenseits dieser Grenze verschlechtert sich die Vertikalität und Rauhigkeit der geätzten Oberfläche. Man muss die Lichtfleckgröße kleiner als die Spiegelhöhe halten, um einen vernünftigen Durchsatz zu erreichen. Tiefere Mikrospiegel sind sehr wünschenswert, aber sie sind schwierig herzustellen. Gekrümmte Mikrospiegel sind im Prinzip interessanter als flache Spiegel, obwohl sie schwieriger herzustellen sind. Viele kürzlich berichtete Techniken haben die Herstellung solcher Mikrospiegel mit sowohl 2D- als auch 3D-Formen demonstriert. Die Forscher schlugen daher eine detaillierte Analyse des Potenzials solcher gekrümmter Spiegel vor.

Sie untersuchten im Detail die Freiraumkopplung von Gaußschen Lichtstrahlen unter Verwendung von flachen und gekrümmten Mikrospiegeln. Der theoretische Hintergrund und die nicht idealen Effekte, wie begrenzte Mikrospiegelausdehnung, Asymmetrie in der Krümmung sphärischer Mikrospiegel, fehlausgerichtete Achsen und Unregelmäßigkeiten der Mikrospiegeloberfläche wurden analysiert. Die abgeleiteten Formeln wurden verwendet, um das Verhalten von flachen (1D), zylindrischen (2D) und sphärischen (3D) Mikrospiegeln theoretisch und experimentell zu untersuchen und zu vergleichen. Die Analyse konzentrierte sich auf den Dimensionsbereich, in dem der Krümmungsradius des gekrümmten Mikrospiegels mit dem Rayleigh-Bereich des einfallenden Strahls vergleichbar ist, der auch einer Referenzpunktgröße entspricht.

Die Forscher leiteten einen auf einer Übertragungsmatrix basierenden Feld- und Leistungskopplungskoeffizienten für allgemeine mikrooptische Systeme ab, wobei unterschiedliche Matrixparameter in der tangentialen und sagittalen Ebene des Mikrosystems berücksichtigt wurden, wobei mögliche Nicht-Idealitäten berücksichtigt wurden. Sie präsentierten die Ergebnisse in Form von normalisierten Größen, sodass die Ergebnisse allgemein und auf verschiedene Situationen anwendbar bleiben. Darüber hinaus wurden Siliziummikrospiegel mit kontrollierten Formen hergestellt und zur experimentellen Validierung der Kopplungseffizienz bei sichtbaren und nahen Infrarotwellenlängen verwendet.