CN102455471A

CN102455471A - 一种发光二极管与光电转换器件的耦合方法

Info

Publication number: CN102455471A
Application number: CN2010105229216A
Authority: CN
Inventors: 耿旭辉; 关亚风; 吴大朋
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明涉及一种发光二极管与光电转换器件的耦合方法，其特征在于：所述发光二极管与光电转换器件之间通过两端均为磨锥球面的光纤进行耦合，即双头磨锥球面光纤耦合。本发明的耦合方式对含有发光二极管与光纤耦合的各种检测器、传感器和光学通信设备，尤其是荧光检测器和荧光传感器具有应用价值。该耦合方法简单、实用、方便、成本低廉。

Description

一种发光二极管与光电转换器件的耦合方法

技术领域

本发明涉及一种提高发光二极管和光电转换器件使用光纤耦合的耦合效率的方法。具体地涉及一种双头磨锥球面光纤。该耦合方法可以应用到含有发光二极管与光纤耦合装置的光学检测器、光学传感器和光学通信中。

背景技术

发光二极管(LED)具有长寿命、小体积、低成本、高光能稳定性、高效率和宽发射光谱等优点。目前，LED逐渐成为一种主流光源，并被广泛应用到检测器、传感器和光学通信中，尤其是荧光检测器和荧光传感器。随着微电子和微加工技术的飞速发展，LED的光密度和功率越来越高。在某些领域比如分析仪器领域，高功率LED已经开始逐渐地取代传统光源和激光光源。由于光导纤维导光简单、方便和实用，所以LED也经常使用光纤导光。一般来说，在光学系统中使用的LED，都要求它具有高光密度、与光纤耦合后具有高的输出光能。而LED的输出光发散角很大，因此研究LED与光纤的高效耦合极为迫切和重要。

由于LED是非相干光源，其发射光束很难被会聚。目前市场上的发光二极管有两种类型：聚光帽型和表贴型。对于最新推出的高亮度LED聚光帽型的，切除其前端的聚光帽，直到距离其PN结0.5mm左右能够降低光纤端面与PN结的距离，使获得的光能提高2.5倍，可以作为光学仪器的光源。因此，研究这种类型的发光二极管与光纤的高效耦合也非常重要。

然而，这种被切掉聚光帽型的平头发光二极管的发射光束的发散角大于120°，远远超过了普通光纤的数值孔径角(θ₀＜30°)。发射光不能够完全被传播，光耦合效率低。光学透镜在LED和光路的有效耦合中使用很广泛。但是缺点是极高的加工精度和同轴度要求、繁冗的校准过程和极小的位移失调容差。另外，如果想得到一个满意的结果，就要使用昂贵的高精密度的五维位移调节平台来调焦。这些都极大地增加了成本。而且只要偏焦一点(微米量级)，其耦合效率甚至还不如直接耦合的高。

与光学透镜耦合相比，光纤微透镜耦合简单、紧凑、一步校准、容易制作封装、生产成本低。光纤微透镜目前在半导体激光器(LD)与光纤的耦合上使用比较广泛。因为半导体激光器的光斑是细长的椭圆形，一般使用楔形柱面光纤与其耦合。而发光二极管的近场光斑形状更接近正圆，因此我们选择磨锥球面光纤来耦合。实际上，最好的选择是磨锥双曲面。但是制作这种高精度的双曲面需要CO₂激光器显微机械加工技术或者需要电弧放电熔融加工技术。而这两者都很昂贵，远远超出了发光二极管和光纤本身的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发光二极管与光电转换器件的耦合方法。

具体的采用双头磨锥球面光纤进行耦合，通过优化锥角、工作距离和球面半径，得到最高的耦合效率。这种双头磨锥球面光纤可以用普通车床切削(对于塑料光纤)、研磨和抛光制作而成。该耦合方法可以应用到含有发光二极管与光纤耦合装置的光学检测器、光学传感器和光学通信中。

本发明的技术方案是：

一种发光二极管与光电转换器件的耦合方法，所述发光二极管与光电转换器件通过两端均为磨锥球面的光纤进行耦合，即双头磨锥球面光纤耦合。双头磨锥球面光纤的入光端与发光二极管耦合，出光端与光电转换器件耦合；

耦合装置包括双头磨锥球面光纤、接头(201)、接头(202)和光电转换器件；

双头磨锥球面光纤的一端通过接头(201)与发光二极管连接，另一端通过接头(202)与光电转换器件连接，且连接后发光二极管、双头磨锥球面光纤和光电转换器件三者共轴，并可手动调节发光二极管与双头磨锥球面光纤之间的距离，找到最大耦合效率位置胶粘即可。

所述的发光二极管为表贴型发光二极管或者平头发光二极管，其中平头发光二极管包括出厂即为平头的或者出厂非平头的，买回后切掉聚光帽后成为平头的。

所述光纤为塑料光纤或石英光纤；所述光纤数量为1根或多根。

所述光电转换器件可以是光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)、硅光电池(Si_PCell)、或电荷耦合光电检测器(CCD)。

接头的材质可以是金属中的不锈钢或铝，或是非金属特氟龙(Teflon)、聚醚醚酮(PEEK)或陶瓷。

所述的双头磨锥球面光纤是用车削(塑料光纤)、研磨和抛光制作而成；

利用平头的发光二极管作为光源，通过优化光纤端部的锥角(如：钝角)，得到最高的耦合效率。

本发明具有如下优点：

1、目前发光二极管与光电转换器件的耦合，绝大部分是直接光纤耦合或者透镜耦合。本发明提高其耦合效率，降低能量损失，便于光学调整。

2、整个装置结构简单，只需更换不同的光源和光纤，即可用于不同的系统。

3、该耦合方法具有较强的实用性，对含有发光二极管与光纤耦合的各种检测器、传感器和光通信设备，尤其是荧光检测器和荧光传感器，能够提高耦合效率50％以上。

附图说明

图1为耦合装置的示意图。

图中：101为发光二极管(如：切除聚光帽的平头发光二极管或者表贴型发光二极管)，102为双头磨锥球面光纤，103为光电转换器件(如：硅光电池)，201为连接发光二极管和光纤的接头，202为连接光电转换器件和光纤的接头。

具体实施方式

实施例

如图1所示，一种去除聚光帽的平头发光二极管与双头磨锥球面光纤的耦合装置，其结构包括发光二极管(101)、双头磨锥球面光纤(102)、光电转换器件(103)，装置的共轴设计基本保证光纤在接头内能够自由转动和滑动，但是不能晃动。

双头磨锥球面光纤的一端通过接头(201)与发光二极管连接，另一端通过接头(202)与光电转换器件连接，且连接后发光二极管、双头磨锥球面光纤和光电转换器件三者共轴。

耦合过程如下：

采用一个高亮度去除塑料聚光帽的平头发光二极管与光纤耦合，光通过光纤的入射端接收并传输，经过光纤出射端与硅光电池进行耦合，用电流表检测光电流大小。

应用例

光源用蓝色LED，其参数如下：中心发射波长：470nm；耗电功率：20mA×3.05V；LED直径：Φ3mm。LED顶端的塑料聚光帽被去除到距离其PN结0.5mm左右，然后抛光。用直流驱动。使用有机玻璃(PMMA)光纤(南京春辉科技有限公司)，其参数如下：直径：Φ3mm；长度：30mm；数值孔径(NA)＝0.5。使用硅光电池(YGCU08C，安阳市阳光科教能源有限公司)作为光电转换器件。光纤的两端经过加工，形成双头磨锥球面。使用电流表来检测光电流。用光电流来表征耦合效率。实验结果表明，使用最佳参数的双头磨锥球面光纤耦合LED，其耦合效率是同样条件下的平头光纤紧贴发光二极管耦合效率的1.55倍。也就是说，通过合理的设计加工双头磨锥球面光纤，耦合效率提高了55％。

Claims

1.一种发光二极管与光电转换器件的耦合方法，其特征在于：所述发光二极管与光电转换器件之间通过两端均为磨锥球面的光纤进行耦合，即双头磨锥球面光纤耦合。

2.按照权利要求1所述的耦合方法，其特征在于：耦合装置包括双头磨锥球面光纤(102)、接头(201)和接头(202)；双头磨锥球面光纤(102)的一端通过接头(201)与发光二极管(101)连接，另一端通过接头(202)与光电转换器件(103)连接，且连接后发光二极管(101)、双头磨锥球面光纤(102)和光电转换器件(103)三者共轴。

3.按照权利要求1所述的耦合方法，其特征在于：所述的发光二极管(101)为表贴型发光二极管或者平头发光二极管，其中平头发光二极管包括出厂即为平头的或者出厂为非平头的，买回后切掉聚光帽后成为平头的。

4.按照权利要求1所述的耦合方法，其特征在于：所述光纤为塑料光纤或石英光纤。

5.按照权利要求1所述的耦合方法，其特征在于：所述光纤数量为1根或多根。

6.按照权利要求1所述的耦合方法，其特征在于：所述光电转换器件(106)是光电倍增管、雪崩光电二极管、硅光电池或电荷耦合光电检测器。

7.按照权利要求1所述的耦合方法，其特征在于：接头的材质是金属中的不锈钢或铝，或是非金属特氟龙、聚醚醚酮或陶瓷。

8.按照权利要求1所述的耦合方法，其特征在于：所述的双头磨锥球面光纤是用车削、研磨和抛光制作而成。

9.按照权利要求1所述的耦合方法，其特征在于：利用平头的发光二极管作为光源，通过优化光纤端部的锥角(钝角)，得到最高的耦合效率。