CC BY
51
СОГЛАСУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
И.К. Мешковский, Р.О. Олехнович, В.Е. Стригалев
В работе описан один из способов создания элемента для согласования интегрально-оптического модуля с волоконным световодом. Приведены результаты измерений его характеристик.
Введение
В оптической связи и волоконных датчиках широко используются интегрально-оптические модули. Данный модуль часто состоит из интегрально-оптической схемы и присоединенных к нему с противоположных сторон волокон. Среди параметров, которыми они характеризуются, одним из основных является параметр, характеризующий потери оптической мощности в модуле. Эти потери складываются из потерь на вводе и выводе излучения в интегрально-оптический волновод и затухания в самой интегрально-оптической схеме.
Потери в интегрально-оптическом модуле складываются из потерь в канальном волноводе и из потерь в реализованных на нем схемах (делитель, модулятор, поляризатор и т.д.). Потери на вводе (выводе) излучения в интегрально-оптический волновод можно разделить на две группы:
• потери, вызванные пространственным рассогласованием стыкуемых элементов;
• потери, вызванные несовпадением распределений модовых полей в волокне и канальном волноводе.
Потери, вызванные пространственным рассогласованием на вводе, можно разделить на три вида и в приближении гауссовых пучков представить следующим образом:
• поперечное рассогласование (рис. 1а), в дБ,
Г± = 4.34
( й, Л2
V Щ0 J
продольное рассогласование (рис. 1б), в дБ,
( Л
1
Г = -101с8
1 + (&/ 4^0 )2
угловое рассогласование (рис. 1в), в дБ,
( П Л2
Га= 4.34 -
Л/ 2
где щ0 - диаметр модового поля волокна, - расстояние между осями симметрии волокон, й - расстояние между торцами волокон, вв - угловая расходимость пучка, вт -
угол между осями симметрии волокон.
Потери, вызванные несовпадением размеров модовых полей в волокне и канальном волноводе, в приближении гауссовых пучков и с учетом того, что в канальном волноводе распространяется эллиптическая гауссова мода, равны
(
Гт =-101С8
2 Щ ЩХ
2 щ0 щт
Л
2 . '2 2 . '2 V Щ + Щ Щ + Щ J
где щ0 - диаметр модового поля волокна, щх , щт - размеры моды канального волновода вдоль большой и малой оси.
Рис. 1. Пространственное рассогласование волноводов
Потери, вызванные рассогласованием в пространстве, при идеальной юстировке стремятся к нулю и зависят от оборудования, которое используется для юстировки и фиксации элементов.
Для уменьшения потерь, вызванных несовпадением размеров модовых полей (волокна и интегрально-оптического волновода или двух различных волокон), применяют различного рода согласующие оптические элементы (линзы, граданы, фоконы и т.д.). Они могут являться как отдельными элементами, так и элементами, которые формируются прямо на торце волокон. При этом возникают дополнительные проблемы юстировки и долговременной стабильности.
Постановка задачи
Одним из возможных методов решения данной проблемы является изготовление согласующего элемента из отрезка волокна [1]. При этом размеры модового поля на его противоположных концах рассчитываются таким образом, чтобы диаметр модового поля с одного конца совпадал с диаметром модового поля волокна, который к нему будет присоединен, а с другой стороны совпадал с диаметром модового поля интегрально оптического волновода. Таким образом, согласующий элемент должен преобразовывать диаметры модовых полей на его концах.
Например, для уменьшения числовой апертуры (угловой расходимости) на конце волокна необходимо увеличить диаметр сердцевины и оболочки, и, наоборот, для увеличения числовой апертуры (угловой расходимости) необходимо уменьшить диаметр оболочки и сердцевины. Для уменьшения числовой апертуры (угловой расходимости) волокна было предложено расплавлять волокно и за счет сил поверхностного натяжения формировать утолщения волокна с дальнейшим сколом и полировкой торца в месте утолщения. В зону расплавления волокно необходимо подавать вертикально, так как если волокно подавать горизонтально, то расплавленное стекло будет неравномерно распределяться относительно оси симметрии волокна. В результате расплавления увеличивается внешний диаметр оболочки и диаметр сердцевины. При этом для уменьшения потерь на переходе утолщение-неизмененное волокно необходимо обеспечить плавный переход от утолщения к волокну. Для формирования утолщения можно использовать сварочный аппарат.
Для формирования утолщения сначала использовался метод формирования капли на конце (рис. 2а). В этом способе утолщение формируется расплавлением конца волокна. Этот метод имеет следующие недостатки: необходимо контролировать формирование капли в двух плоскостях, необходимо следить за симметричностью оболочки относительно сердцевины, не допускать изгибов сердцевины в капле из-за корректировок при формировании капли. Кроме того, оказалось достаточно сложно определить место, до которого необходимо полировать торец, так как в капле нарушается ламинар-ность.
а) б)
Рис. 2. Методы формирования утолщения
Поэтому был предложен второй метод - формирование утолщения волокна на некотором расстоянии от конца (рис. 2б). Недостатки данного способа: необходимо отступать на некоторое расстояние для предотвращения сильного изгиба волокна выше места плавления, а также откалывать куски волокна, находящегося ниже места плавления. В обоих случаях нельзя вращать волокно вокруг своей оси для создания симметричного утолщения или капли из-за того, что при использовании волокна с сохранением поляризации это, возможно, приведет к преобразованию поляризационных мод в согласующем элементе.
Основные результаты
Для проверки данной идеи было взято одномодовое волокно с сохранением поляризации с большой числовой апертурой (порядка 0,17) и интегрально-оптический волновод на ниобате лития с меньшей числовой апертурой (порядка 0,11).
а) б)
Рис. 3. Фотографии согласующего элемента
По второй методике были изготовлены образцы с длиной волокна примерно 5-6 м. Это было сделано для того, чтобы исключить влияние на получаемые данные оболочечных мод при небольшой длине волокна. На одном конце каждого куска волокна был создан согласующий элемент. Торец согласующего элемента, который предназначался для стыковки с интегрально-оптическим волноводом, был заполирован.
На рис. 3 а, 3б приведены фотографии согласующего элемента. На рис. 3 а показана фотография согласующего элемента, вклеенного в стеклянную трубочку, которая необходима при полировке торца согласующего элемента. На рис. 3б показан заполированный торец волокна и трубки.
Измерения числовой апертуры (угловой расходимости) (см. рис. 4) показали, что при помощи данного метода удалось уменьшить числовую апертуру (угловую расходимость) примерно в 1,5 раза.
1
0.9
0.8
0.7
0.6
3
в
0.5
Рч
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-15 -10 -5 0 5 10 15
Degree
Рис. 4: 1 - угловая расходимость согласующего элемента, 2 - его аппроксимация гауссом, 3 - угловая расходимость волокна, без согласующего элемента, 4 - его аппроксимация кривой Гаусса, 5 - 1/е2
После этого была измерена эффективность ввода оптического излучения. Излучение выходило из интегрально-оптического волновода на ниобате лития и вводилось в стандартное одномодовое волокно, в необработанное волокно и волокно с согласующим элементом. Результаты представлены в таблице.
Отрицательным эффектом согласующего элемента может быть дополнительное паразитное преобразование одной поляризационной моды в другую, что особенно актуально для устройств, использующих волокна с сохранением поляризации.
Мощность на фотоприемнике, мкВт Мощность на фотоприемнике, дБ Потери на стыке, дБ
Мощность на выходе ниоба-та лития 350 -4,56 0
Одномодовое волокно БМ-28 250 -6,02 1,46
Волокно с сохранением поляризации 220 -6,58 2,02
Волокно с сохранением поляризации с согласующим элементом 250 -6,02 1,46
Таблица. Эффективность ввода в канальный волновод
Выводы
При использовании описанной технологии была продемонстрирована возможность уменьшения числовой апертуры (угловой расходимости) оптического волокна и потерь при его стыковки с канальным волоноводом.
Литература
1. Kazuo Shirashi, Yoshizo Aizawa, Shojiro Kawakami Beam expanding fiber using thermal diffusion of the dopand // Jornal of lightwave technology, Vol. 8, No 8, August 1990, pp. 1151-1161.
