CC BY
117оптоэлектроника
Использование градиентных микролинз для соединения оптических элементов
В настоящее время проводятся интенсивные исследования по созданию различных по своему функциональному назначению волоконно-оптические систем (ВОС), в которых используются разнообразные оптические устройства и элементы: оптические волокна (ОВ), одножильные и многожильные волоконно-оптические кабели (ВОК); оптические излучатели (ОИ) в виде СИД или лазеров; различные типы фотоприемников (ФП); оптические датчики; оптические и оптоэлектронные регенераторы; оптические коммутационные устройства: переключатели, коммутаторы, ответвители, устройства доступа [1, 2]. Для объединения этих элементов в единую ВОС необходимы соответствующие конструктивно-технологические мероприятия по стыковке оптических устройств и элементов между собой [3].
36 I компоненты
Юрий ВАСИЛЬЕВ, д. т. н., профессор
Основное требование к оптическим соединениям — обеспечение при стыковке минимальных вносимых оптических потерь а в рабочем спектральном диапазоне длин волн АХ ВОС. Наиболее распространенными являются жесткие пассивные соединения с помощью сварки, склейки и оптических разъемов (коннекторов). Однако используются также активные соединения элементов, реализуемые с помощью управления пространственным положением световых пучков, излучаемых стыкуемыми элементами. В качестве таких активных соединителей используются оптические дефлекторы, переключатели, коммутаторы оптических каналов [1, 2, 4-6].
Для уменьшения оптических потерь при соединениях могут использоваться стержневые градиентные микролинзы типа «градан» [1, 7]. Стыковка с помощью микролинз «градан» может использоваться для разъемных и неразъемных соединений «ВОК (ОВ)-ВОК (ОВ)», «ОИ-ВОК (ОВ)», «ВОК (ОВ)-ФП».
Градиентные микролинзы [7] представляют собой отрезки градиентных оптических световодов со степенным профилем показателя преломления. Они могут использоваться в качестве коллимирующих и фокусирующих линз в оптических неразъемных и разъемных соединителях.
«Граданы» представляют собой стержни длиной в несколько миллиметров и диаметром до 2 мм. Профиль показателя преломления п(г) «градана» имеет вид:
п(г)=п0^-(&')2, (1)
где П) — показатель преломления на оптической оси «градана», г — расстояние от оптиче-
ской оси до соответствующей точки в плоскости поперечного сечения «градана»; g — постоянная, зависящая от материала «градана».
При таком показателе преломления траектории световых пучков, распространяющихся в «градане», описываются уравнениями:
р = r0 cosQz + (tg0/O)sinOz,
tgy = dp/dz = -Or0 sinQz + (tg0)cosQz, (2)
где 0 и r0 — угол ввода и координата входа светового пучка в торец «градана» в среде n(r); р и у — координата и угол выхода светового пучка из «градана» в среде n(r); Q = g/V 1-(gr0)2 постоянная распространения света в «градане».
Если световые пучки 1 и 2 вводятся через входной торец «градана» в точках соответственно с координатами r = r0 = 0 и r = r0 под углами 0(1) и 0(2), то они распространяются по траекториям, изображенным на рис. 1 (где OZ -оптическая ось «градана», у(1) и у(2) — углы выхода световых пучков 1 и 2 через выходной торец «градана»).
На основе «граданов» разрабатываются различные микрооптические устройства [1]: соединители, переключатели, коммутаторы, MX/DMX, многофункциональные оптические устройства обработки информации. Используются два типа «граданов»: колли-
г0 > г пучок 2 градан ‘ / / р
I 0 Ч-——
\ пучок 1
Рис. 1. Распространение света в «градане»
мирующие (четвертьпериодные) и фокусирующие (полупериодные).
Из уравнений (2) следует, что если источник света находится на оптической оси «гра-дана» г0 = 0, то из выходного торца «градана» излучается коллимированный световой пучок (у = 0), при выполнении условия О.Х = п/2, откуда длина г = !0 коллимирующего «гра-дана» составляет
!0 = (я /2£)д[М^ = я/2^.
«Граданы» обладают свойством обратимости. В случае засветки торца «градана» коллимированным пучком последний фокусируется на противоположном торце г0 = 0. При смещении ОИ г = г0 выходной пучок также является коллимированным, однако он излучается «граданом» под углом у к оптической оси 02, величина которого определяется из второго уравнения (2) при г = !0: у = -агС£^г0. Если g = 0,2252 мм-1, длина коллимирующего «градана» составит !0 = 6,97 мм.
Фокусирующие «граданы» используются для фокусировки света из торца в торец. Этот процесс иллюстрируется рис. 2.
Длина Ь1 такого «градана» рассчитывается из первого уравнения (2) при г0 = 0 и р = 0 (рис. 2а), откуда О.Х = п и Ь1 = п/g = 2!0. При такой длине «градана» световой пучок, излучаемый ОИ, расположенным на оптической оси «градана», фокусируется на противоположном торце также на оси «градана», при этом, как следует из второго уравнения (2), угол выхода из «градана» у = 0. Если ОИ смещен относительно оси «градана» г = г0 (рис. 2б), то выходной световой пучок фокусируется на его противоположном торце
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2007
оптоэлектроника
\ /2
1\Д 5 з
Рис. 3. Микросоединитель типа «ВОК (ОВ)-градан-ВОК (ОВ)»
1
\ 3
^ J-
т/
Рис. 4. Микросоединитель типа
«ОИ—градан—ВОК (ОВ)»
/2
' I
1 чз
Рис. 5. Микросоединитель типа «ВОК (ОВ)-градан-ФП»
в точке, расположенной зеркально относительно оси, проходящей через центр «града-на». Следовательно, при 2 = Ь1 значение р = -г0, а угол у = -0.
Микросоединители «ВОК (ОВ)-градан-ВОК (ОВ)» и «ОИ-градан-ВОК (ОВ)» изображены соответственно на рис. 3 и рис. 4.
Соединители (рис. 3) могут изготавливаться в виде оптических модулей, в которых соединяемые между собой через «градан» 2 оптические волокна ОВ 1 и 3 стыкуются с соответствующими торцами фокусирующего «градана» с помощью точечной сварки или оптического клея. Таким образом, использование рассмотренных выше свойств микролинз позволяет разрабатывать многоштырьковые оптические соединители NxN, где N— число соединяемых ОВ, которое в зависимости от использования многомодовых или одномодовых ОВ может составлять соответственно от нескольких десятков до сотен. Вносимые потери в таких соединителях могут составлять а<1 дБ.
Соединитель, изображенный на рис. 4, может использоваться для стыковки излучатель-ной площадки ОИ 1 с ОВ 3 через фокусирующий «градан» 2. В качестве ОИ могут использоваться светодиоды или ПП гетеролазеры. Вносимые потери а при вводе излучения в ОВ также могут составлять менее 1 дБ.
Микросоединители «ВОК (ОВ)-градан-ФП» (рис. 5) используются для стыковки фокусирующим «граданом» 2 ОВ 1 и бескорпусных ФП 3 различных типов: р-1-п ФД, ЛФД, фоторезисторы, фототранзисторы.
Потери а такие же, как в предыдущем случае.
На основе «граданов» могут разрабатываться также соединители-разветвители типа «ВОК (ОВ)-градан-ВОК (ОВ)» (рис. 6), в которых разветвление и соединение ОВ осуществляется с помощью полупрозрачного зеркала 3.
С помощью «градана» 2 световой поток, излучаемый входным ОВ 1, разветвляется в выходные ОВ 4, 5. «Градан» 2 состоит из двух коллимирующих граданов длиной !0, соединенных между собой зеркальными торцами, которые и образуют полупрозрачное зеркало 3. Такой соединитель осуществляет соединения 1 ^ 4 и 1 ^ 5. Вносимые оптические потери а составляют единицы дБ.
Выше были рассмотрены пассивные оптические соединители. Одним из перспективных типов активных соединителей является тип акустооптических дефлекторов, в которых угловое отклонение пучков в простран-
стве для соединения оптических элементов осуществляется с помощью электрических сигналов управления s(t), подаваемых на АО с электронного генератора управления (ГУ).
Схема соединения «ОВ-ОВ» с использованием АО дефлектора изображена на рис. 7 (здесь Л1 и Л2 — оптические линзы с фокусным расстоянием F, осуществляющие фокусировку световых пучков, излучаемых ОВ; АОЯ — акустооптическая ячейка [4], в которой с помощью ГУ электрическим управляющим сигналом s(t) возбуждается акустическая волна (бегущая дифракционная решетка), осуществляющая пространственное отклонение светового пучка).
Стыковка ОВ осуществляется через АОЯ по принципу «любой ОВ1 — в любой ОВ2» и «любой ОВ2 — в любой ОВ1». Вносимые оптические потери при таком соединении составляют а = 5-7 дБ. Однако они могут быть уменьшены до 1,5-3 дБ при замене традиционных оптических линз Л1 и Л2 микролинзами типа «градан», состыкованными непосредственно с торцами АОЯ. Такие соединители будут рассмотрены в последующих статьях автора.
На основе рассмотренных «граданов» могут создаваться различные комбинированные многофункциональные микрооптичес-кие соединители. ■
Литература
1. Васильев Ю. Г. Микрооптические спектральные акустооптические устройства доступа для волоконно-оптических систем передачи // Радиотехника. 1999. № 9.
2. Vasilev Yu. G. Microoptical commutation Devices for Microsistem Technique. Тезисы докладов между-нар. научно-техн. конференции «СЕНСОР- 2000». Санкт-Петербург. 2000.
3. Дональд Дж. Стерлинг. Техническое руководство по волоконной оптике. М.: Мир, 2001.
4. Магдич Л. Н., Молчанов В. Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978.
5. Васильев Ю. Г. и др. Расчет световых развязок между каналами двухкоординатного акустооп-тического дефлектора // Радиотехника. 1986. № 6.
6. Свечников Г. С. Элементы интегральной оптики. М.: Радио и связь, 1987.
7. Красюк В. А., Корнеев Г. И. Оптические системы связи и световодные датчики. М.: Радио и связь, 1985.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2007
www.power-e.ru
