CC BY
151
3
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛОКОННЫХ МИКРОЛИНЗ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ
А.А. Петров, В.П. Вейко
В статье рассмотрен метод лазерного изготовления микролинз на оптических волокнах. Показано, что применение таких линз увеличивает эффективность ввода излучения полупроводникового лазерного диода в оптическое волокно.
Введение
Проблема оптимизации оптических межсоединений при стыковке различных типов волоконных световодов (как одномодовых, так и многомодвых) между собой, с оптическими волноводами, а также с источниками излучения (полупроводниковыми лазерами и лазерными диодами) является одной из важнейших в световодных системах передачи и обработки информации. При решении задачи согласования должна быть обеспечена эффективная передача оптической мощности от одного элемента к другому. В оптоволоконных системах телекоммуникаций низкие потери соединения необходимы для достижения оптимальной производительности. Высокие потери соединения приводят к сокращению срока службы, уменьшению стабильности и надежности системы.
Для повышения эффективности связи волноводных структур, имеющих различные размеры и форму поперечного сечения (это относится и к оптическим волокнам, волноводам и источникам излучения), применяют, как правило, плавные волноводные переходы и оптические согласующие элементы [1]. В качестве внешних оптических согласующих элементов, помещаемых между торцами такого рода структур, могут использоваться различные типы линз и микролинз (сферические и полусферические, градиентные цилиндрические и т. п.), фоконы и их комбинации [2].
Одним из перспективных решений является изготовление согласующих оптических элементов непосредственно на торце оптического волокна с помощью лазерного нагрева. Для согласования полупроводниковых лазеров с оптическими волокнами применяют микролинзы, сформированные на коническом окончании волокна.
Изготовление микролинз на коническом окончании волокон
В работе были использованы кварцевые оптические волокна двух типов с диаметром светонесущей жилы 62,5 мкм и 9 мкм, с внешним диаметром 125 мкм. Процесс изготовления микрооптических элементов на торцах волокон состоит из двух этапов -изготовление конического окончания и формирование микролинзы на вершине конуса.
Коническое окончание на оптическом волокне было изготовлено двумя способами. Первый - вытяжка волокна, нагреваемого газовой горелкой. Принципиальная схема установки представлена на рис. 1.
Оптическое волокно 1, предварительно зачищенное от внешней оболочки и лакового покрытия, закреплялось в каретках 2, 3, одна из которых могла свободно перемещаться по направляющим. Очищенная область волокна нагревалась газовой горелкой 4 до температуры размягчения (более 1250° С). К каретке 3 приложена сила F (с помощью подвешенного груза). Применение газовой горелки дает большую длину зоны нагрева волокна (2-4 мм), при этом отсутствует контроль над температурой оптического
волокна. При использовании газовой горелки получается конус с малым углом сужения около 0,025 рад (1,5°) (см. рис. 2).
Рис. 1. Экспериментальная схема получения конического окончания волокна с помощью газовой горелки
500 мкм
Рис. 2. Фотография конуса, полученного вытяжкой в газовом факеле (увеличение 32Х)
Основным достоинством этого способа является то, что вследствие равномерного нагрева значительной области получаемые оптические элементы обладают высокой осевой симметрией. К недостаткам получаемых элементов можно отнести малый угол конуса (значительную длину), что приводит к значительным потерям энергии излучения при распространении света по конусу.
Другой способ получения конусной поверхности на конце волокна - это использование лазерного излучения. Для этих целей используют СО2-лазер и специальную оптическую схему, впервые предложенную для изготовления зондов для ближнепольной микроскопии [3]. Использование лазерного излучения имеет ряд преимуществ по сравнению с газовой горелкой. Во-первых, это локальность зоны воздействия, во-вторых, это возможность точного управления мощностью падающего излучения, а, следовательно, и температурой в зоне обработки. Получаемые с помощью лазера конические поверхности имеют значительно более короткий конус, чем при вытяжке с горелкой, углом которого можно управлять.
Рис. 3. Фотография конуса, полученного вытяжкой с помощью СО2-лазера на установке
с тороидальным зеркалом
Следующий этап - изготовление микролинзы на вершине конического окончания. Для этих целей используется установка с СО2-лазером в качестве источника излучения, ее принципиальная схема представлена на рис. 4. Одним из важнейших технологических параметров, определяющих качество (симметрию) получаемых микролинз, является наличие биения при вращении оптического волокна вокруг собственной оси. Чтобы повысить точность позиционирования, была применена керамическая втулка (ferrule) со сквозным отверстием диаметром 126+1/-0 мкм, она играет роль подшипника скольжения. Применение втулки позволяет уменьшить биение до ~ 1 мкм.
2 1
5 6
Рис. 4. Принципиальная схема экспериментальной установки (1 - СО2-лазер,
2 - затвор, 3 - зеркало, 4 - объектив, 5 - оптическое волокно в подшипнике, 6 - механизм вращения и продольной подачи, 7 - микроскоп, 8 - ослабитель, 9 - частотомер)
Волокно с конусом устанавливается в блок вращения (частота вращения 600 об/мин). С помощью микрометрических винтов совмещают ось волокна, закрепленного во втулке, с осью вращения. Волокно подается в зону обработки, производится окончательная юстировка с помощью зеркала при пониженной мощности излучения (менее 1 Вт). После этого мощность излучения повышается до заданного значения (1,5 Вт) и открывается основной затвор; время облучения составляет около 2 с. Процесс изготовления контролируется с помощью микроскопа.
Под действием лазерного излучения температура волокна повышается до температуры выше температуры размягчения (1250° С), после чего под действием сил поверхностного натяжения вершина конуса принимает полусферическую форму. На рис. 5 представлена фотография микролинзы, изготовленной на конусе, полученном в результате лазерной вытяжки, на рис. 6 конус получен вытяжкой в пламени газовой горелки.
Рис. 5. Фотография микролинзы на коническом окончании (радиус 17 мкм)
* -
500 мкм i t
Рис. 6. Фотография микролинзы на коническом окончании (увеличение 32Х)
Определение эффективности ввода излучения в оптическое волокно с использованием микролинз
Были проведены экспериментальные измерения эффективности оптического согласования полупроводникового лазера с волокном с микролинзой на торце волокна.
В качестве источника излучения был использован полупроводниковый лазерный диод LEDLASER HLDP-650-A-5-02, с длиной волны излучения 650 нм, мощность излучения до 5 мВт, излучающая площадка - прямоугольник с размерами 1*6 мкм. Схема эксперимента представлена на рис. 7. Оптическое волокно выставлено по оси распространения лазерного пучка. В эксперименте измерена мощность излучения из выходного торца волокна при различной дистанции L между поверхностью лазерного диода и микролинзы. Фотография использованной микролинзы представлена на рис. 6. Линза была изготовлена на оптическом волокне с диаметром светонесущей жилы 62,5 мкм.
Рис. 7. Схема соединения лазерного диода с оптическим волокном через микролинзу
на коническом окончании
Аналогичные измерения были проведены для волокна с плоским торцом. Результаты измерений представлены на графике (рис. 8).
Ь, мкм
Рис. 8. Относительная мощность выходного излучения при соединении лазерного диода с волокном с линзой (1) и с плоским торцом (2)
По полученным результатам можно сделать вывод, что при использовании микролинз данного типа эффективность согласования лазерного диода с оптическим волокном может быть повышена на 25-35% (при оптимальном L) по сравнению с использованием плоского торца и стыковки в торец.
Заключение
Микролинзы, формируемые на торце волокна с помощью лазерного излучения, могут быть использованы для согласования оптического волокна с полупроводниковыми источниками излучения. Они позволяют уменьшить потери при передаче излучения. Теоретические исследования показывают, что при использовании микролинз такого типа может быть достигнуто более чем двукратное повышение эффективности соединения [1].
Описанный метод изготовления микролинз обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами:
• повышается управляемость процесса формирования оптического элемента;
• отсутствует химическое загрязнение поверхности оптического элемента;
• получаемые элементы не требуют дополнительной обработки;
• можно работать с оптическим волокном различных размеров;
• полученные элементы обладают механической прочностью, аналогичной прочности исходного волокна.
Работа выполнена при поддержке гранта президента Российской Федерации на ведущую научную школу НШ-1370.2003.8.
Литература
1. VP. Veiko, N.B. Voznesensky, A.A. Petrov, V.F. Pashin, N.N. Voznesenskaya, S.M. Metev, C. Wochnowski Optical interconnection optimization based on a classical approach. // Proceedings SPIE, v.4977, Photon Processing in Microelectronics and Photonics II, p.569-577, 2003.
2. Семенов А.С., Смирнов В.Л., Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. М.: Изд-во «Радио и связь», 1990.
3. K.A. Atlasov, V.P. Veiko, A.I. Kalachev " Technology Optimization of the Laser -Assisted SNOM - Tips Stretching ".Proceedings of SPIE, V. 5399, p.63-68, 2003.
