Соединители источников излучения с волоконными световодами ИИ-ВС.

Соединители типа ИИ-ВС конструируют так, чтобы была максимальной эффективность ввода оптической мощности, определяемая выражением

где — мощность излучения, введенная в волоконный световод; — мощность источника излучения, либо чтобы свести до минимума оптические потери на ввод излучеиия

Эффективность ввода излучения зависит от диаграммы направленности источника, площади излучающей площадки, спектрального состава излучения, диаметра сердцевины волоконных световодов, их числовой апертуры, взаимного расположения, параметров микролинз и других факторов.

Как правило, распределение полей излучения источника по координатам и углам представляет собой диаграмму ламбертовского типа для светодиода (рис. 4.34, а) и более узкую, но радиально-асимметричную диаграмму для лазерного диода (рис. 4.34, б).

Рис. 4.34. Диаграммы направленности излучения светодиода (а) и полупроводникового лазера (б)

Назначение разъема состоит в том, чтобы обеспечить жесткое и воспроизводимое крепление волокна относительно источника и преобразовать диаграмму излучения источника таким образом, чтобы ее форма была максимально подобна симметричной и ограниченной в пределах угла апертуре волокна.

При расчетах необходимо постоянно иметь в виду непреложность теоремы о сохранении фазового объема излучения при любых волновых преобразованиях, не сопровождающихся потерей мощности,

где — фазовый объем, занимаемый пучком излучения в пространстве координат и углов излучения

Таким образом, если площадь излучающей пдощадки некогерентного источника равна а все излучение сосредоточено в пределах телесного угла то применение любых линзовых систем не сможет уменьшить фазового объема Другими словами, можно уменьшить размер пятна в изображении источника, но это будет сопровождаться пропорциональным увеличением числовой апертуры. Применение угловой пространственной фильтрации сжимает фазовый объем, но сопровождается потерей мощности.

Поэтому если имеется светодиод с диаметром излучающей площадки и ламбертовской диаграммой излучения, то фазовый объем излучения СИД (рис. 4.35)

Максимальный фазовый объем излучения, воспринимаемого волокном с радиусом сердцевины а и числовой апертурой равен

Следовательно, максимальная доля мощности, которую можно ввести из СИД в волокно, составляет

При этом имеется в виду, что обычно .

Можно показать (см., например, работу [132]), что при соединении «встык» эффективность ввода излучения СИД в волокно со ступенчатым профилем описывается именно формулой (4.92), а эффективность ввода в градиентное волокно с параболическим профилем и таким же значением вдвое меньше.

Рис. 4 35. Согласование фазовых объемов при стыковке волокна со светодиодом

Поэтому ни одна оптическая система не может повысить значения достигаемого при прямой стыковке светоизлучающей площадки светодиода и торца оптического волокна, а если учесть неизбежные потери на френелевское отражение и на поглощение — только ухудшает эфективность ввода.

Закономерности, характеризующие потери в соединителе светодиода с волокном, в основном те же, что и при стыковке двух волокон. Но поскольку числовая апертура источника излучения много больше стандартного значения для волокна необходимо еще тщательнее контролировать зазор и рассогласование стыкуемых элементов. Зависимости потерь от зазора и рассогласования (при условии, что показаны на рис. 4.36. Угловое рассогласование по тем же причинам существенно сказывается на уровне оптических потерь в разъеме.

Суммарные потери при стыковке светодиода с волокном

где первые три слагаемых рассчитывают по графикам типа изображенных на рис. 4.37, потери на рассогласование числовых апертур и площадей светодиода и волокна подсчитывают либо по формуле (4.92), либо (в дБ) по формуле

а френелевские (однократные) потери на отражение от торца волокна дБ.

Анализ причин контролируемых потерь в соединителях ИИ- ВС показывает, что точность взаимной юстировки стыкуемых элементов также серьезно влияет на суммарные потери.

В основном, светодиоды поверхностного типа имеют излучающую площадку больше сердцевины световода, эффективность веодэ излучения низкая. Применение микрооптики в этом случае не дает увеличения эффективности ввода. Технология изготовления соединителя этого типа значительно проще, чем соединителя волоконных световодов.

Сверхлюминесцентные светодиоды торцового типа, лазерные диоды имеют диаграмму направленности, которая может быть апроксимирована выражением

где — коэффициент, характеризующий направленность излучения.

Рис. 4.36. Зависимости потерь на стыке между двумя элементами волоконного тракта от рассогласования и осевого зазора

Для источников, у которых размер излучающей площадки меньше диаметра сердцевины волокна, при малых апертурах эффективность ввода может быть определена из выражения

Это выражение справедливо при оптимальном взаимном расположении источника излучения и волоконного световода. Эффективность ввода излучения [254] сильно зависит от углового и осевого рассогласования и децентрировки. Наиболее сильно сказывается децентрировка (радиальное смещение на 50 мкм вносит дополнительные потери 5—10 дБ).

В случае, если площадь излучающей площадки меньше площади сердцевины световода, можно значительно повысить эффективность ввода (до 80-95 %) за счет применения микрооптических элементов: сферических или градиентных линз, фоконов, линз на торцах волоконных световодов [330, 363, 363]. В целом проблема разработки соединителей источников излучения с многомодовыми волоконными световодами настолько же сложна, как и проблема создания линзовых соединителей волоконных световодов. Средние оптические потери при вводе излучения в стандартное градиентное

волокно составляют 0,9 дБ [120, 214]. Уровень современной промышленной технологии позволяет обеспечить требуемую точность совмещения элементов. Имеет место слабое (менее 0,1 дБ) изменение эффективности ввода под действием температуры и других параметров окружающей среды.

Проблема создания соединителей для лазерных диодов и одномодовых волоконных световодов значительно сложнее. Здесь большую роль играют изготовление прецизионных микрокомпонентов, точность их установки, фиксация в требуемом положении и обеспечение этого положения в процессе эксплуатации. Высокая эффективность ввода достигается за счет применения микролинз — как дискретных (сферических, граданов), так и изготовленных непосредственно на торцах волоконных световодов.

Применение дискретных линз (цилиндрических [279, 325], градиентных [210]) или сочетаний линз (цилиндрической и градиентной [93], сферической и градиентной [279]) обеспечивает оптические потери на ввод излучения 3—6 дБ. Использование цилиндрических линз делает сборку чрезвычайно сложной в связи с их асимметрией и необходимостью юстировки этих линз по дополнительным координатам. Применение цилиндрических линз связано с несимметричным характером диаграммы направленности лазеров. Создание в ближайшем будущем лазеров с симметричной диаграммой направленности позволит исключить применение цилиндрических линз.

При всех методах, предполагающих использование дискретных микролинз, необходима их индивидуальная установка, что при допусках порядка десятых долей микрометра усложняет переход от лабораторных исследований к промышленной технологии. Тем не менее сочетание сферической и градиентной линз в принципе обеспечивает высокую эффективность ввода излучения (~50 %), позволяет выходной световод жестко закрепить в фокусе линзы и обеспечить стабильность параметров излучения.

Применение линз на торцах волоконных световодов обеспечивает малые потери на ввод излучения (2—4 дБ) и в принципе позволяет упростить и частично автоматизировать сборку. Технология изготовления микролинз на торцах световодов еще недостаточно отработана, ведется поиск оптимального метода с точки зрения минимизации оптических потерь и простоты изготовления.

Для изготовления микролинз на торцах волоконных световодов применяются сужение и оплавление конца световода [242, 244, 279], химическое травление [143], механическая обработка с последующим оплавлением [165], химическое травление оболочки и формование линзы из расплава низкотемпературного стекла [213], химическое травление через маску, сформированную методом фотолитографии [235]. Все методы позволяют реализовать линзы, обеспечивающие достаточно высокую эффективность ввода излучения.

Удовлетворительную стабильность показали линзы, изготовленные методом формования из расплава: при циклических изменениях температур от 29 до 70 °С оптические потери изменялись на 0,2 дБ. Все технологии требуют высокой точности выполнения операции. В настоящее время трудно говорить о преимуществе какой-то одной технологии перед другими.

В световодных системах связи влияние отраженных сигналов на работу лазерных диодов не очень сильно сказывается на работе системы в целом. На параметры световодных измерительных систем большое влияние оказывают амплитудные и фазовые шумы источников излучения и соединителей. Вопрос оптимизации конструкции микролинзы для уменьшения обратного сигнала детально не изучен. На практике применяются различные средства минимизации обратных сигналов, возвращающихся на резонатор лазера в результате первого отражения, — просветляющие покрытия, клиновидные торцы волоконных световодов. В работе [246] показано, что применение клиновидных торцов позволяет уменьшить мощность отраженного к резонатору излучения до относительной доли, меньшей

Сборка соединителей лазерных диодов с одномодовыми волоконными световодами [93, 279, 325, 326 ] требует точности позиционирования элементов порядка 0,1 мкм, при креплении допустимо отклонение не более 0,1 мкм, необходима стабильность взаимного расположения элементов при эксплуатации.

Применение при сборке для фиксации элементов эпоксидной смолы или клеев, затвердевающих под действием нагрева или охлаждения, ультрафиолетового или другого излучения вызывает смещение элементов на несколько микрометров, хотя и обеспечивает хорошую долговременную стабильность. Лучшие на сегодняшний день результаты дает соединение за счет деформации мягкого металла (индия) с последующей заливкой эпоксидной смолой. Этот метод обеспечивает фиксацию с точностью до 0,1 мкм, характеризующуюся долговременной стабильностью.

Особенно сложна сборка соединителей для одномодовых волоконных световодов с большим двулучепреломлением или сохранением состояния поляризации. В этом случай необходимо согласование плоскости поляризации излучения лазерного диода с осями волоконных световодов [13], что может быть достигнуто вращением волокна при сборке соединителей [271].

В целом соединители светодиодов и лазеров с многомодовыми световодами отработаны, и технология достигла стадии промышленного освоения. Однако технология изготовления соединителей лазеров с одномодовыми световодами, и особенно с сохраняющими поляризацию волокнами, еще находится на стадии лабораторных исследований, так же как и соединителей для световодных измерительных систем на основе интерферометрических схем регистрации (в них уровень шума должен быть минимальным).