曲面微反射镜的自由空间光耦合效率

图1 利用以单模光纤相连的单色光源、定向耦合器和光探测器来测量硅微反射镜的耦合效率

微反射镜是一种尺寸约微米的反射镜，在光纤通信、光学扫描器和光学仪器等许多领域都有着非常广泛的应用。微反射镜可以集成于光子芯片中，组成“微型版”的光学工作平台。在光通信领域，微反射镜是交叉耦合器、可变光衰减器和可调外腔激光器的重要组成部分。在这些应用中，微反射镜对入射反射光的耦合效率是影响信号质量的关键性能指标。在各类仪器应用中，微反射镜是光学干涉仪和光学谐振腔的重要组成部分，其耦合效率也是影响计量性能的一大关键性能指标。

近期发表在Journal of Optical Microsystems上的一篇研究论文中，埃及艾因•夏姆斯大学的Yasser Sabry所领导的研究人员研究了微反射镜形状、高度以及表面质量对其性能的影响；他们还分析了入射光偏差的影响，分别考虑了偏轴情况和角偏差情况。

绝大多数微反射镜的表面是平面的，由于微细加工技术水平的限制，其高度通常在80 微米内；一旦超过这一限制，蚀刻表面的垂直度和粗糙度就会变差。实际使用中，必须保证光斑尺寸小于镜面高度，以实现合理的输出。尽管实际中需要更大的微反射镜，但制造相对困难；相比平面反射镜，曲面微反射镜更吸引人，但制造难度又上一个台阶。近期许多报道的技术已经能制造出二维和三维形状的微反射镜，因此研究人员对这种曲面微反射镜的潜力进行了详细的分析。

图2 研究人员所研究的耦合情况示意图

研究人员详细研究了平面微反射镜和曲面微反射镜在自由空间对高斯光束的耦合，分析了研究理论背景，研究了微反射镜尺寸有限、球面微反射镜曲率不对称、偏轴和微反射镜表面不规则等非理想情况。利用所推导出的公式研究并比较了平面（1D）、圆柱（2D）和球面（3D）微反射镜的理论和实验性能。重点分析范围是曲面微反射镜的曲率半径与入射光束的瑞利长度相当的情况，而入射光束的瑞丽长度与参考光斑的尺寸在同一数量级。

研究人员基于转移矩阵的推导出了一般微光学系统场、功率耦合系数，考虑了微系统子午面和弧矢面的不同矩阵参数，并考虑了可能的非理想情况。为使结果在不同的情况下普遍适用，研究结果以归一化量的形式表示。此外，研究人员还制作了形状可控的硅微镜，并通过实验验证了其在可见光和近红外波段的耦合效率。

文章见：Yasser M. Sabry et al, Critical analysis of in-plane free-space light beam coupling using photonic curved micromirrors, Journal of Optical Microsystems (2022). DOI: 10.1117/1.JOM.2.3.034001。