Устройство ввода лазерного излучения в одномодовое оптическое волокно

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ВВОДА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОДНОМОДОВОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Поляков Александр Владимирович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство ввода лазерного излучения в одномодовое оптическое волокно, отличающееся тем, что согласующее устройство содержит анизотропную волоконно-оптическую вставку, обладающую фокусирующими и коллимирующими свойствами, на входном торце которой сформирована сферическая микролинза из того же материала с радиусом, равным диаметру световодной жилы анизотропной вставки, и иммерсионную жидкость,заполняющую промежуток между лазерным источником излучения и микролинзой, с показателем преломления, обеспечивающим минимальные результирующие потери.(56) 1. Кугушев А.И., Островский А.И., Черевань Ю.А. Способы устройства ввода излучения инжекционных полупроводниковых лазеров в одномодовые волоконные световоды // Зарубежная радиоэлектроника. - 1990. -11. - С. 52-73. 2. Прокофьев А.Е., Сизов О.В., Чистяков С.О. Градиентно-оптическая система для ввода излучения полупроводникового лазерного диода в одномодовое волокно // Оптический журнал. - 1997. - Т.64,1. - С. 67-69. 3. Плеханов А.И., Шелковников В.В. Оптические волокна с концевыми фотополимерными микролинзами // Российские нанотехнологии. - 2006. - Т.1,1. - С. 240-244. 4. Бейли Д, Райт Э. Волоконная оптика теория и практика / Пер. с англ. - М. КУДРИЦ-ОБРАЗ, 2006. - 320 с. 5. Патент 2325676, МПК 02 6/26, опубл. 27.05.2008 // Бюл.15. 6. Патент 2142152, МПК 02 6/42, 6/26,01 3/06, опубл. 27.11.1999 // Бюл.33. 58062009.12.30 Предлагаемая полезная модель относится к области волоконной оптики и может быть использована для создания эффективных устройств ввода излучения одномодового инжекционного полупроводникового лазера в одномодовый волоконный световод в высокоскоростных протяженных волоконно-оптических информационных системах. В настоящее время эффективность ввода оптического излучения в волокно является одной из основных характеристик системы источник излучения - волокно, от ее значения зависит величина оптической мощности, которую можно ввести в световод, а значит и длина регенерационного участка волоконно-оптической линии связи и скорость передачи информации. Какова бы не была конструкция современных инжекционных лазеров (ИЛ),их излучательные характеристики не совпадают с распределением напряженности поля основной моды НЕ 11 возбуждаемого одномодового оптического волокна (ОМОВ), из-за чего потери при непосредственной стыковке лазера с ОМОВ достигают 10 дБ и более. Это вынуждает использовать различные устройства согласования лазера с ОМОВ для уменьшения потерь при вводе излучения. Известны устройства ввода излучения, в которых между ИЛ и ОМОВ находились градиентные стержневые линзы 1 и оптическая система из выпуклой градиентной линзы и линзы из однородного стекла 2. Потери при стыковке в первом случае составляли 3-5,2 дБ(в зависимости от конструкции), во втором случае - 2 дБ. Такие системы источник излучения - фокусирующий элемент - коллимирующий элемент - оптическое волокно чувствительны к разъюстировке и их технически достаточно сложно интегрировать в волоконно-оптическую систему. Более простым и надежным конструктивным решением согласования лазерного пучка и волокна является применение микролинз, сформированных непосредственно на выходном торце лазерного кристалла или на входном торце ОМОВ. Проведенные в 3 исследования показали, что лучшая эффективность ввода излучения достигается в том случае,когда микролинза находится на входном торце оптоволокна. Известны устройства ввода лазерного излучения в волокно, сущность которых состоит в том, что на торце волокна термически формируется линза из материала волокна 4 или прозрачных полимерных материалов 5. При этом потери на стыковку для одномодовых волокон составляют 3 дБ 4,для многомодовых волокон - 1 дБ 5. Таким образом, эффективность ввода для одномодовых волокон составляет порядка 50 , что является недостаточным. Известно устройство 6, выбранное в качестве прототипа, в котором некоаксиальный ввод излучения многомодового лазера в многомодовый волоконный световод осуществляется с помощью отрезка промежуточного питающего многомодового оптического волокна. Упомянутое питающее волокно имеет сужающийся участок, то есть участок с постепенно уменьшающимся диаметром и сплавлено с многомодовым оптическим волокном в области суживающегося участка. Для передачи излучения с многомодового лазерного кристалла на отрезок многомодового питающего волокна используется цилиндрическая линза таким образом, что угол расхождения излучаемого луча, распространяющегося вдоль волокна, меньше, чем угол самого волокна. Питающее волокно сужается, т.е. нагревается и вытягивается, чтобы уменьшить его диаметр, а затем формируется элемент связи, например скручиванием и сплавлением такой суженной части волокна с принимающим волокном. Недостатками известного устройства 6 являются 1. Наличие воздушных промежутков между источником излучения и цилиндрической линзой, а также между цилиндрической линзой и волокном увеличивает потери на френелевское отражение и усложняет механическую юстировку при совмещении элементов устройства. 2. При сужении диаметра питающего волокна для части пространственных мод может нарушаться условие их распространения в волокне, и они будут высвечиваться в оболочку 58062009.12.30 и увеличивать потери. Кроме того, сужение стыкуемой части уменьшает механическую прочность в месте соединения с принимающим волокном. 3. Устройство-прототип предназначено для работы с многомодовыми инжекционными лазерами и многомодовыми волоконными световодами. Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, обеспечивающего повышение эффективности ввода излучения одномодового лазера в одномодовое оптическое волокно. Сущность полезной модели заключается в том, что согласующее устройство содержит анизотропную волоконно-оптическую вставку (АВОВ), обладающую фокусирующими и коллимирующими свойствами, на входном торце которой сформирована сферическая микролинза из того же материала с радиусом, равным диаметру световодной жилы анизотропной вставки, и иммерсионную жидкость, заполняющую промежуток между лазерным источником излучения и микролинзой, с показателем преломления, обеспечивающим минимальные результирующие потери. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлено устройство ввода лазерного излучения в одномодовое оптическое волокно на основе анизотропной волоконно-оптической вставки. На фиг. 2 приведена зависимость суммарных потерь на стыковку ИЛ-АВОВ от показателя преломления иммерсионной жидкости. Заявляемое соединительное устройство (фиг. 1) содержит одномодовый инжекционный лазер 1, иммерсионную жидкость 2, сферическую микролинзу 3, анизотропную волоконно-оптическую вставку с сердцевиной 4 и оболочкой 5, одномодовый волоконный световод 9. Кроме того, на фиг. 1 показаны вводимый в АВОВ меридиональный луч 6 и его экспоненциально затухающая к оптической осив процессе распространения по АВОВ синусоидальная траектория 7, ограниченная линиями 8. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение от одномодового инжекционного лазера 1 через иммерсионную жидкость 2, предназначенную для уменьшения потерь, возникающих за счет френелевского отражения, попадает на сферическую линзу 3, предназначенную для выравнивания соответствующих числовых апертур ИЛ и АВОВ. В АВОВ градиент показателя преломления в сердцевине 4 оптического волокна создается не за счет изменения химического состава стекла, а в результате упорядочения внешним электрическим полем в процессе производства внутренней молекулярной структуры стеклообразного материала, в том числе и чистого кварцевого стекла. При этом анизотропные молекулы и образующиеся микрокристаллы материала сердцевины ориентированы так (эффект Керра-Поккельса), что их оптические оси направлены вдоль силовых линий электрического поля. В результате траектория меридионального луча 6 любой моды, вводимого в пределах апертурного угла А, представляет собой экспоненциально затухающую к оптической осисинусоиду 7, ограниченную линиями 8. С волновой точки зрения это означает, что указанные моды будут преобразовываться по пути их распространения в моду единой линейной поляризации НЕ 11, имеющую минимальный относительно осиугол следования луча. Благодаря значительной концентрации(коллимации) энергии излучения вдоль осипосле прохождения длины модового преобразования мп обеспечивается одномодовый режим распространения. Таким образом, излучение, введенное в АВОВ диаметром 0, после прохождения мп будет иметь эквивалентный диаметр одномодового режима распространения эф 0. Взаимное преобразование направляемых градиентом АВОВ мод на участке мп не вызывает потерь мощности, так как при этом преобразуется только модовое и спектральное распределение внутри АВОВ. Благодаря градиенту показателя преломления в поперечном сечении и фокусирующим свойствам величина 0 сердцевины многомодовой стороны АВОВ, обращенной к ИЛ, не ограничена и может достигать 1-2 мм. Однако следует учитывать, что при увеличении 0 увеличивается и мп. 3 58062009.12.30 Таким образом, задача определения эффективности ввода излучения ИЛ в ОМОВ с помощью АВОВ состоит в определении потерь соединения ИЛ и многомодового торца АВОВ диаметром 0, а также потерь соединения ОМОВ и выходного светового пучка АВОВ диаметром эф. Вначале проанализируем потери на соединения АВОВ с ОМОВ типа-28 9/125, имеющий диаметр сердцевины в 9,5 мкм. Эти два элемента могут соединяться или жестко методом сварки, или с помощью разъемных соединений. Потери при сварке одномодовых волокон составляют 0,02-0,04 дБ. Оценим потери, которые могут возникнуть при наличии разъемного соединения. В этом случае основной вклад в потери будут вносить дефекты сопряжения, вызванные радиальным, угловым и продольным смещением соединяемых волокон. Радиальное смещение может возникать из-за погрешностей изготовления оптоволокна(эксцентриситет и эллиптичность сердцевины и оболочки), плохой очистки оптоволоконной жилы от первичной защитной оболочки, погрешностей в механизме юстировки. Потери при радиальном смещении описываются формулой В, где- радиальное смещение, 0 - радиус пятна моды,- нормированная частота,числовая апертура ОМОВ. Продольное смещение возникает в том случае, если соединение между АМОВ и ОМОВ является разборным и зазор между ними заполнен иммерсионной жидкостью с показателем преломления ж 1,5. Соответствующие потери можно оценить из соотношения где- продольное смещение. Еще одним фактором оптических потерь является угловое смещение ОМОВ относительно оптической оси. Факторами, которые определяют величину углового смещения,являются плохое качество скола грани оптоволокна, аппаратная угловая погрешность котировочного устройства. Для углов, не превышающих 10 град, данные потери можно вычислить следующим образом 20 / 2101 где- апертурный угол, определяемый как. При этом в производимых в настоящее время разъемных оптических соединителей обеспечивается боковое смещение не более 1 мкм и осуществляется контроль перпендикулярности плоскости скола с погрешностью не хуже 2 . Суммарные потери на соединение АВОВ и ОМОВ при следующих параметрах 1 мкм,3 мкм,1,5-2 град,0,13, 05 мкм будут составлять не более 0,2 дБ для 1,55 мкм для разъемных соединений. Теперь оценим потери на соединение ИЛ и АВОВ. Будем считать, что ИЛ и АВОВ отъюстированы и жестко закреплены таким образом, что радиальное и угловое смещения отсутствуют. При этом необходимо совместить поляризации ИЛ и АВОВ. Одномодовый волноводный /-ИЛ с заращенной гетероструктурой имеет числовую апертуру л 0,4 и размеры светящейся области 13 мкм. Поскольку размеры светящейся области, в отличие от многомодовых лазеров, не сильно различаются во взаимно перпендику 4 58062009.12.30 лярных направлениях, нет необходимости применять цилиндрические согласующие линзы для выравнивания диаграммы излучения. В связи с тем, что размеры светящейся области лазера существенно меньше диаметра сердцевины АВОВ и лазерное излучение имеет значительный угол расходимости, основными составляющими потерь будут различия числовых апертур ИЛ и АВОВ, потери из-за продольного смещения и френелевские потери на отражение. Важное значение имеет величина зазора между ИЛ и АВОВ, поскольку излучательные характеристики одномодовых ИЛ чувствительны к уровню отраженной оптической мощности, попадающей в активную область ИЛ. В 5 представлены результаты исследований зависимости эффективности ввода излучения от расстояния между ИЛ и торцом световода. На расстояниях менее 30 мкм была зафиксирована нестабильность вводимого сигнала,обусловленная влиянием излучения, отраженного от торца световода, на режим генерации ИЛ (эффект составного резонатора). Увеличение зазора более чем на 50 мкм приводит к резкому падению эффективности ввода излучения. Для уменьшения зазора до нескольких микрометров необходимо напыление отражающей пленки. Поскольку между ИЛ и АВОВ имеется некоторое расстояние , будут существовать потери продольного смещения, которые можно рассчитать по формуле 0 экв,1011 где ж - показатель преломления среды между ИЛ и АВОВ (для воздуха ж 1). На практике потери из-за продольного смещения могут иметь значение меньше рассчитанного по формуле (4) из-за нарушения условия полного возбуждения, т.е. когда мощность излучения имеет максимальное значение в центре торца волокна и снижается до нуля ближе к границе сердцевина-оболочка. Френелевские потери на отражение ф появляются из-за различия показателей преломления ИЛ л, среды между ИЛ и АВОВ ж, а также сердцевины АВОВ 0. Данные потери можно оценить из выражения(5) 4 лж 4 ж 0 Зазор между ИЛ и АВОВ обычно заполняется иммерсионной жидкостью (ИЖ). Поскольку, как следует из (4) и (5), величина потерь продольного смещения и френелевские потери зависят от коэффициента преломления ИЖ ж, необходимо подобрать такое значение ж, чтобы результирующие потери были минимальными. Другим способом уменьшения потерь является увеличение радиуса сердцевины АВОВ 0, однако в этом случае, как уже отмечалось, требуется увеличение длины модового преобразования мп, необходимой для того, чтобы радиус выходного модового пятна не превышал 5 мкм и соответствовал радиусу сердцевины ОМОВ. Применение сферической микролинзы (СМЛ), получаемой путем оплавления входного торца АВОВ, позволяет сконцентрировать световой пучок,что эквивалентно увеличению входной апертуры АВОВ. В этом случае для того, чтобы избежать потерь, обусловленных несовпадением числовых апертур, должно выполняться условие(6)л 0 ж 00 ( 01) / 2 ,экв где- радиус сферической линзы. Результирующие потери соединения ИЛ-АВОВ будут представлять сумму всех компонентовсф. Учитывая совокупность указанных факторов, была проведена оптимизация эффективности соединения ИЛ-АВОВ по критерию минимума вносимых потерь. Расчеты с учетом(3)-(6) показали, что для 01,464 (1,55 мкм),30 мкм, л 3,51, 060 мкм,00,24,20 величина потерьбудет минимальна для коэффициентов преломле 5 58062009.12.30 ния иммерсионной жидкости ж 2,3-2,5 (фиг. 2). При этом суммарные потери соединения будут составлять 1,14 дБ при сварном соединении АВОВ и ОМОВ (эффективность ввода излучения одномодового инжекционного лазера в одномодовый волоконный световод не менее 77 ), и 1,3 дБ при разъемном соединении АВОВ и ОМОВ (эффективность ввода излучения не менее 74 ). Длина модового преобразования мп будет составлять величину около 0,7 м. Значительная по сравнению с элементами стыковки других типов длина АВОВ является скорее преимуществом, чем недостатком, поскольку позволяет создавать гибкие соединения с волоконно-оптическими линиями связи в труднодоступных местах в полевых условиях. Таким образом, по сравнению с известными техническим решениями заявляемое устройство ввода лазерного излучения в одномодовое оптическое волокно позволяет повысить эффективность ввода излучения в 1,5 раза. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6